基于PSoC4的矢量控制方案：电流采样

Cypress在2013年3月推出PSoC4可编程片上系统架构, 它将赛普拉斯一流的PSoC模拟和数字架构以及业界领先的CapSense电容式触摸技术同ARM的低功耗Cortex-M0内核完美相结合。这款真正可扩展的低成本架构可提供PSoC标志性的高灵活性、模拟性能和高集成度，而且能提供数十种免费的PSoC组件(Components), 可适用于很多类应用，如PMSM马达控制、家电用户界面、手持医疗、温度传感、安全访问、物联网等等. 本文即以CY8C4200为例，介绍如何使用PSoC4在马达矢量控制方案中实现双电阻电流采样。

PSoC4 简介

PSoC4 是基于ARM Cortex-M0 CPU的可编程嵌入式系统控制器家族，它集合了可编程模拟资源、可编程内部互联、用户可编程数字逻辑、通用的固定功能外设计以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系统。相对于PSoC3、PSoC5系列产品的各个方面, PSoC4都做了很大的改进。PSoC4现包含CY8C4100 和CYCY8C4200两个产品系列，PSoC4100系列是基于ARM内核的最低成本的PSoC，它将PSoC的灵活性和高集成度引入对成本敏感的大批量生产的产品中。PSoC4200系列拥有速度更快的处理器，更高的ADC采样速度，以及基于PLD的增强型通用数字模块(UDB)。

图 1： PSoC4芯片系统框图

图 1是PSoC4的系统框图，以下概括了其主要特性，详细内容可以参考Cypress网站上的PSoC4的数据手册。

- 高性能 Cortex-M0 CPU 内核。基于48 MHz ARM Cortex-M0 中央处理器 , 支持单周期乘法。

- 最大支持 32KB 闪存（Flash），最大支持 4KB SRAM 存储器。

- 固定功能以及可配置的数字模块。包括四个独立的可支持中央对齐的PWM，支持互补的可编程死区及同步ADC操作；两个可工作为SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模块（SCB）；LCD 驱动，可以驱动多达4个Common和32个Segment的LCD控制器。

- 高性能模拟系统。包括一个支持零开销通道切换功能的12位1 Msps ADC; 两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器; 两个低功耗比较器；一个电容感应（CapSense）模块，提供极佳的信噪比和防水功能；两个电流数模转换器（IDAC）。

- 高度可编程的数字逻辑。四个可编程数字逻辑模块(UDB)，每个包含两个微型的可编程逻辑阵列和一个8位数据运算单元。

- 灵活可编程的内部互连。

- 低功耗运行模式: Sleep、Deep Sleep、Hibernate 和Stop

- SWD 编程及调试单元，全面支持PSoC Creator IDE 工具

电流采样方法分析

矢量控制中，精确的采样定子电流至关重要。电流采样的精度和实时性在很大程度上决定了系统的动态、静态性能。因此，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要条件，是整个系统的基础。在矢量控制系统中，常见的电流检测方案有霍耳电流传感器、使用采样电阻等方案。其中采用采样电阻是一种常见的高性价比的方案。

采用采样电阻的方式一般又分三电阻采样方式、双电阻采样方式和单电阻采样方式。下面将对这三种采样方式做一下分析。

1)三电阻采样

三电阻典型采样电路如图2所示，Q1到Q6是6个功率晶体管。三个下桥臂分别串联一个采样电阻，采样电阻上的电压信号再经过运放送达ADC。单片机通过ADC分别采样三相电流。采样时刻在三相上桥臂截止的时刻，如图3所示。此时相电流通过二极管进行续流，通过采样续流电流可以得到真实的相电流。

三电阻采样方式较为灵活。当某相电压占空比达到100%时，该相下桥臂关闭，采样电阻上无续流电流。此时可以采样其他两相电流，通过公式“Iu + Iv + Iw = 0”重构出该相电流。当某项电压占空比较高时，续流时刻较短，功率管开关会造成电流振荡，此时采样会造成较大误差。此种情况也可通过采样其他两相电流进行重构。

三电阻采样方式在某相占空比达到100%时也可对相电流进行精确采样，因此电压利用率高。同时也支持两相PWM调制。缺点是成本稍高，需要3个采样电阻，三个运放。

图2 三电阻采样电路

图3 三电阻电流采样时刻

2)双电阻采样

双电阻典型采样电路如图4所示，Q1到Q6是6个功率晶体管。在U相及V相两个下桥臂分别串联一个采样电阻，采样电阻上的电压信号再经过运放送达ADC。单片机通过ADC分别采样UV两相电流。采样时刻在三相上桥臂截止的时刻，与三电阻方式相同，如图4所示。此时相电流通过二极管进行续流，通过采样续流电流可以得到真实的相电流。采样UV两相电流后，通过公式“Iu + Iv + Iw = 0”重构出W相电流。

一般情况下，双电阻采样方式可以实现三相电流的重构。但当U或V相电压占空比达到100%时，此时该相下桥臂关闭，采样电阻上无续流电流，无法进行采样。或当U或V相电压占空比较高时，续流时刻较短，功率管开关会造成电流振荡，此时采样会造成较大误差。因此采用双电阻采样方式时，一般限制电压最大相占空比为95%左右，给电流采样留出足够的空间。

双电阻采样方式只需要2个采样电阻，两个运放即可完成三相电流重构。但电压利用率较三电阻低，达不到100%，不支持两相调制(另一相调制比为100%)

图4 双电阻采样电路

3)单电阻采样

单电阻典型采样电路如图6所示, Q_(1 )到Q_(6 )是6个功率晶体管。在母线上串联一个采样电阻，采样电阻上的电压信号再经过运放送达ADC。单片机通过ADC在一个PWM周期内采样两次采样出两相电流，然后通过公式“Iu + Iv + Iw = 0”重构出第三相相电流。典型的采样时刻如图7所示。以图7所示的采样时刻为例，第一次采样的母线电流为-Iu, 第二次采样的母线电流为Iw。由此便可重构出三相电流。

单电阻采样突出的一个问题是采样盲区的问题。在两相占空比非常接近时，留出的采样窗口会非常窄，此时采样误差较大甚至无法进行采样。一般通过PWM平移或建立电流观测器对电流进行估算的方法进行解决。

单电阻采样仅需一个采样电阻，一个运放即可完成三相电流重构，成本优势突出。同时由于仅需在母线电流上串接采样电阻，可用于下桥臂不开放的智能功率模块(IPM)的应用场合。但单电阻采样实现较为复杂，同时存在采样盲区的问题。

图5 单电阻采样电路

图6 单电阻采样时刻

基于PSoC4的双电阻采样设计实例

三种采样方式各有其优缺点，使用时应根据具体应用场合综合考虑。以上三种采样方式均可采用PSoC4灵活实现。下面将以双电阻采样为例，介绍如何使用PSoC4进行设计。

PSoC4内部集成四个独立的可支持中央对齐、互补的可编程死区及同步ADC操作的TCPWM模块；一个支持零开销通道切换功能的12位1 Msps ADC; 两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器。丰富的片内资源可将主控电路所需芯片集成到一片芯片中，实现高度集成化。图7显示了PSoC4矢量控制（无传感器）典型硬件控制框图。

图7 PSoC4 无传感器矢量控制硬件控制框图

相对于其他解决方案，基于PSoC4的矢量控制解决方案具有以下特点优势：

1）采用高性价比的Cortex-M0内核。Cortex-M0是市场上现有的最小、最节能的ARM处理器，代码占用空间小，能以8位处理器的价格获得32位处理器的性能，可明显节约系统成本。

2）内部集成两个支持比较器模式及SAR ADC输入缓冲功能的运算放大器。目前市场大部分解决方案均需外部运放完成电流采样，采用PSoC4可从系统BOM表中移除外部运放，减少系统成本。

3）内部集成两个低功耗比较器，可用于硬件保护或错误信号处理。市场常用解决方案大部分采用外部比较器完成此功能。采用PSoC4可进一步减少BOM，降低成本。

4）减少PCB空间及BOM成本。由于PSoC4集成了电机控制所需大部分外设及其他丰富的模块，可实现高度集成化的设计。

5）固件IP保护。PSoC提供了极强的软件/硬件IP保护能力，这对电机应用尤其重要。

6）宽电压范围，支持1.71-5.5V

原理图设计

首先，我们使用TCPWM模块来实现SVPWM。如图8所示，从PSoC Creator中拖放三个TCPWM模块，配置TCPWM的工作模式为中央对齐，带死区的双路互补输出模式。三对PWM输出可分别作为U、V和W相桥臂驱动信号。同时在任一TCPWM模块的UN事件输出(下溢信号，用来指示计数器向下计数达到“0”)触发PWM中断，用于进行FOC计算并更新占空比。

图8 三相PWM原理图

我们采用芯片内部运算放大器进行信号放大。PSoC4内部的运放是一个高度可配置的运算放大器，可配置其速度，功耗，驱动能力和补偿。也可配置成比较器进行使用。运放增益带宽可达4MHz(容性负载为20pF时)，可实现轨到轨的输入输出动态范围。图9显示了内部运放的原理图，电路形式采用差分放大形式，相关阻容在芯片外部。

图9 内部运放原理图

PSoC 4包含了一个12位的逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）模块，其可满足中等分辨率、快速转换的应用需求。能够实现最高1Msps的单通道采样，支持零开销通道切换功能。SAR ADC具有8个可配置通道和1个插入通道，可灵活的通过软件、定时器、管脚或来自UDB的信号触发，支持单次、周期或连续模式采样。图10展示了SAR ADC原理图，可采集UV两相电流及母线电压。

图10 SAR ADC原理图

程序设计

主控程序首先会初始化和配置PSoC4的内部资源，然后进入主循环。主循环主要检测用户的起停命令和速度给定，决定电机的运动状态；并完成一定的调试输出功能。FOC主算法全部在PWM中断中完成，主要完成读取ADC采样结果，完成坐标变换，PID控制，SVPWM输出及更新占空比等操作。具体流程图如图11所示。

图11 程序流程图

实验结果

在PSoC Creator环境下编译工程，并连接PSoC4开发板，三相全桥驱动板与PMSM电机，通电后电机可正常运行，图12电机相电流波形。从测试结果可以看出，电流波形平滑，效果很好。

图12 相电流波形图

小结

上述实例介绍了如何在PSoC4平台上实现双电阻电流采样。PSoC4作为Cypress最新推出的产品，针对电机控制做出了富有特色的优化。凭借片内丰富的资源及高度的灵活性，用户可以轻松设计出高度集成化、低成本、性能优越的PMSM矢量控制系统，提高产品的核心竞争力。

本文作者：赛普拉斯半导体公司应用工程师李飞飞

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