作为同步电机类产品的无刷直流（BLDC）电机成为了诸如油泵、水泵、冷却风扇和步进电机等需要持续旋转等汽车应用的理想选择。BLDC具备了高可靠性应用所需的具有启动和停止功能的定位机制。
进一步讲，BLDC电机所提供的电子控制功能，诸如节省能量、减少对环境的影响和设计更加安全的车辆以成为法定车辆不可缺少的条件。BLDC电机对空间紧张的油泵控制和电子助力转向等变速应用也非常有用。这些类型的应用需要故障诊断和广泛的温度和电压工作范围，因此电子控制也显得十分重要。
嵌入式处理器是汽车系统设计者满足这种日益增长的需求和今天的驾驶者需求的一个重要手段。更多地采用电子控制解决方案可使汽车系统设计者满足这些需求，同时满足他们自己开发低噪声、低成本、高精度系统和缩短上市时间的要求。
汽车系统设计者可以采用全球众多的嵌入处理器解决方案。有一种单芯片架构平台是BLDC电机控制的理想选择，这就是16位数字信号控制器（DSC）。这种类型的平台可与数字信号处理器（DSP）的计算和吞吐能力共同对单片机进行控制。这样，DSC就可以在实现许多汽车电子系统所需的复杂的、高速数学功能方面充分发挥作用。
Microchip的dsPIC® DSC可提供无缝的移植路径和引脚对引脚的兼容性，实现硬件和软件构件的重复使用。这种16位单片机（MCU）与强大的DSP能力的结合可提高汽车电子系统的性能，降低系统成本，使设计者的产品更快推向市场。
DSC的主要特性小结
典型的DSC架构由中央处理器（CPU）以及为它提供适用于某些汽车BLDC应用的外设特性组成。Microchip的用于电机控制应用的16位dsPIC DSC的一些优势特性包括：
· 两个40位宽累加器
· 单周期，16×16乘加（MAC）运算
· 40级柱状位移器
· 双运算访问
·饱和及舍入模式
· DO和REPEAT回路
dsPIC DSC也可提供灵活的中断、看门狗定时器和实时仿真功能。这些组合特性为汽车系统开发商提供了一种应对基于BLDC应用电子控制挑战的控制器。
增强型CPU功能
16位DSC的一个重要特性是丰富的数学处理能力。诸如dsPIC30F和dsPIC33F这种真正的DSC都包括2个40位累加器，可存储16位×16位的乘法运算的两个独立的结果。这种DSC可在一个周期内执行绝大部分指令。
许多性能取向的信号处理算法都包括运行“积之和”计算。诸如乘加（MAC）的特殊指令可提供乘2个16位数字，将结果加到累加器，并预先从随机存取存储器（RAM）中访问一对数据值的能力，所有这些都在一个单指令周期之内完成。2个累加器中一个用来回写数据，另一个用来同时执行计算。
此外，与标准的MCU不同，当解译数据是分数形式，而不是以整数形式的数据出现时，DSC具有支持分数算法的能力。
灵活的中断结构
DSC架构可提供非常高灵活性的中断架构。通常，DSC支持大量个别可选择的和可优先化的中断源，这对包括多个传感器和执行器等任何应用都是非常理想的属性。在这种情况下，中断等待时间是非常准确的，这对于系统开发商来说更加容易。
运行中的自我编程（RTSP）
为了校准从传感器获得的数据和换能器之间的变量，并预先测量偏移量，许多汽车应用需要对常数进行存储。许多DSC器件使用程序快闪存储器和基于快闪数据的EEPROM，它可以可靠而有效地存储和访问这些常数。对系统开发商来说，有许多DSC都可以提供灵活而安全的快闪存储器。
在线串行编程(（ICSPÔ）
采用ICSP技术，很容易利用快闪DSC在现场对应用固件进行升级。此外，ICSP可将同一个控制器用于多种不同的汽车子系统和工作环境。这些功能的增加马上就可以用最少的成本实现。
高分辨率模数转换器（ADC）
选择一个高速的、高分辨率的片上ADC对测量小而快速的应用变化非常重要。选择适当的DSC时应当考虑的最重要因素之一是同时测量不同取样的能力。它可以测量发生在同相的电机电压和电流，以避免控制回路中出现错误。
高速模数转换速率有很多好处。首先，它可以最大限度地减少取样等待时间，增加闭环性能。其次，高速转换可以利用所有通道的高吞吐能力进行多通道取样。另外，高转换速率与DSC核心的DSP能力相结合，可以对含有噪声的电机反馈信号进行过取样和滤除。
脉冲宽度调制（PWM）
DSC支持指定的波形和极性的PWM信号的自动生成。某些DSC集成了支持这些基于PWM算法的先进型的大量片上外设，这就简化了代码开发，并可以某种方法增加整个系统的灵活性。
首先，多个PWM发生器可为BLDC电机的正弦波换向提供补充的输出和自动死区时间插入。PWM模块也可为六步换向的执行提供覆盖控制。在这种情况下有许多种不同的变频电路，包括同步整流，它可以控制电流流动，以确保最高的变频效率。
此外，基于PWM的算法可以利用故障引脚实现闭锁或自动过流保护。而且，ADC可与校正分流电阻电流测量的PWM保持同步。
正交编码器接口（QEI）
对汽车运行的各个方面有效的电子控制来说，车辆的速度和位置，以及机械部件的速度和位置的精确和迅速的测量是十分重要的。正交编码器有利于进行这方面的测量，并能在各种电机控制应用中实现闭环控制。
控制器局域网络（CAN）
微控制器正在朝着具有更多功能的方向继续演进，发展速度越来越快，它对车辆电子控制模块之间的有效而可靠的相互通信非常重要的。在未来的5到7年中，人们期待CAN总线将成为汽车网络节点的首要标准。
为什么DSC是电机控制应用的理想选择？
DSC的CPU可支持一整套强大的DSP指令和灵活的寻址模式，因此可实现快速而精确的算法和逻辑计算。许多DSC架构非常适用于以下一些控制动作：
a）周期性的服务中断。它可获得车辆速度和驾驶角度的周期性取样，计算出使防抱死刹车系统适当发挥作用所需的制动压力。
b）多个传感器的数据捕捉和控制输入。它可以同时测量车辆的速度、加速度、车体/车轮的相对运动和驾驶角度，以确定主动式悬挂系统的阻尼水平。
c）将数据和控制脉冲传输到执行器。这将实现可变的占空比PWM信号，在适当的时间开启和关闭燃料喷嘴。
d）与其他分布式系统中的控制器模块进行数据共享。这种网络有各种各样的子系统，可以周期性地将状态数据提供给诊断模块或用户显示仪表盘。
BLDC电机小结
BLDC电机不直接采用直流（DC）电压电源运行，也不使用碳刷进行换向。BLDC电机是一种包含带有永久磁铁转子和带有绕组的定子的可实现电子换向的电机。
换向是在适当的时间改变电机的相位电流，以产生旋转扭力的动作。碳刷电机的换向是通过机械方式执行的，BLDC电机则必须利用电子方式执行。
BLDC电机是由迭加在定子上的钢片与位于沟槽中的绕组组成的，定子和绕组沿着内圆周进行轴向切割。简而言之，当定子与感应电机的绕组相似时，电机绕组可以用一种非分布式的形式进行配置。每个绕组都是由无数个小线圈构成的，这些小线圈位于沟槽中，并相互连接形成较大的绕组。每个分布在定子外围的绕组形成一个偶数电极。定子绕组可以是梯形的，也可以是正弦形的，其类型因不同的反电动势（EMF）而异。相位电流也有梯形的或正弦形等几种。
所有转子都包括某种类型的永久磁铁，电极可能有2到8对。制造转子的磁性材料是根据所需的磁场密度来选择的。铁氧体磁铁是传统的用于制造永久磁铁的材料。然而，由于稀土合金磁铁具有更高的体积与磁密度比，并可以进一步压缩同样扭矩的转子体积，其应用正在日渐普及。合金磁铁可提高尺寸与重量比率，并可提供比由铁氧体磁铁构成的相同尺寸的电机更大的扭矩。对BLDC电机来说，需要有一种检测转子磁铁位置的方法。
BLDC电机既快速，又没有噪声，既有效率，又具有更长的运行寿命，所以正在得到普及。另外，BLDC电机小巧的尺寸、可控制性、高效率、低EMI和高可靠性也是其普及的原因。其小巧的尺寸是磁铁技术进步所带来的效率提高的直接结果。
另外，BLDC电机所提供的与电机尺寸有关的扭矩比率要比非BLDC电机更高，这使BLDC电机成为非常适用于空间和重量敏感的应用。
BLDC电机可以设计成基于传感器或无传感器的系统。无传感器的BLDC电机系统可降低霍尔效应或光学传感器，以及支持这些电子器件的成本。如果正在运转的转子浸入诸如燃料、油或水中时，无传感器的运行也能令人满意。在无传感器控制中，换向需要利用反电动势（BEMF）的零值穿越。
DSC如何控制BLDC应用
嵌入式系统设计者面临的挑战仍然是在保持灵活性的同时实现成本和性能目标。DSC可提供更低的系统成本，而且对那些需要高稳定性和增加可靠性的应用具有卓越的实时控制能力。DSC带来的其他系统优势包括：
a）由自身内部振荡器运行，而不依赖于系统时钟的可靠的看门狗定时器。
b）当发现系统时钟故障时，片上时钟监视器可迫使芯片复位。
c）片上振荡器不需要使用外部晶振，节省了紧张的板上空间，并可减少系统成本。
d）无需使用外部复位电路的智能片上电源接通复位（POR）电路，当它与欠压保护连接时，可对电源跳动情况下的芯片进行复位。这有助于以低成本实现更可靠的系统。
e）先进的模拟外设，包括一个工作在1.1Msps、具有支持同时取样和控制多达8个输入能力的高分辨率ADC。这将提高系统的吞吐能力。
f）多达8个通道的电机控制PWM增强型电机控制外设，它采用中心对齐或边缘对齐模式，外加1个片上QEI。这将改进系统性能，并可减少软件成本。
决定无传感器的BLDC的位置和速度的更为理想的方法是反电动势（BEMF）“零值穿越.显示了BLDC电机电压变化的三条曲线。该电机的BEMF波形的位置和速度功能是由电阻分割器和运算放大器决定的。当不活跃期的BEMF为零时，该系统可对实例名进行检测。
通过使用BLDC电机的电机引线，BEMF信号的“零值穿越”可出现在从0到5的磁区。每个磁区都符合电气周期的60度部分的要求。在BEMF零值穿越之间有一个30度的偏移。
BEMF零值穿越检测系统适用于各种电机。为了便于设计，你可以在设计中使用与3相位电机理论有关的Y和∆。从零值穿越BEMF技术开始对门限电压信号的上升和下降的实例名进行搜索，这种方法不必理会电机制造时的容差变化。零值穿越BEMF技术也可以与电压或电流控制电路一起工作。
然而，零值穿越BEMF方法的一个主要缺点是电机只能以最低速度运转，以产生足够的BEMF。其次要的缺点是在电机负载突然变化时，可能造成BEMF回路失去锁定。DSC的软件算法通常可以校正这个锁定条件。
一个无传感器的BLDC系统的硬件实例,Microchip的dsPIC30F2010 DSC 6通道PWM寄存器可利用一个3相位变频器驱动BLDC。DSC的PWM部分可产生多个同步输出。PWM模块包括3个占空比发生器的6个输入和输出（I/O）引脚。PWM计数器可提供高达16位的分辨率，系统开发商能够执行“闲置”的频率变化。6个16kHz PWM输出通道可驱动4个输入通道，同时对与PWM模块和3个定时器同步的总线电流、总线电压、需求热点、相位电压取样的10位ADC进行取样。6通道PWM寄存器用来驱动BLDC电机。
无传感器的BLDC电机控制电路的硬件框图。1个10位ADC用来监控BLDC电机的反电动势。ADC输入AN3、AN4和AN5同时对BLDC电机的3个引线进行取样，并对总线电压进行测试。
1个10位ADC用来对BLDC电机的反电动势进行监控。ADC输入AN12、AN13和AN14，同时对BLDC电机的3个引线进行取样，并对总线电压进行测试。10位ADC也可对BEMF进行测试，测出“零值穿越”电压（VDC）。另外，采用放大器和比较器网络的电流反馈电路连接到1个PWM故障保护引脚FLTA。如果发现PWM出现故障，电机就会关断。取样的输出和保持进入转换器的输入而产生结果。该器件的电源电压（AVDD/AVSS）或引脚电压电平（VREF+/VREF-）的模拟基准电压可以用软件进行选择。
在执行BEMF零值穿越任务时，电机速度可以通过软件进行控制。30度相位可预先扩展电机的运转速度范围。dsPIC DSC架构的高执行速度可满足计算马力的需要，而无需降低电机的控制性能。
总结
随着汽车电子技术的持续进展，电子控制的BLDC电机的机会正在诸如液体泵控制和电子助力转向等急需的应用中扩展，这些需要效率和可靠性的应用是系统开发商关注的焦点。DSC是这类新出现的基于BLDC应用的嵌入控制处理器的理想选择。
系统开发商在DSC架构中的投资具有重要的意义，可以充分应对他们面临的特殊应用方面的挑战。单芯片DSC架构必须具有软件兼容性、强大的外设、快速中断处理能力和在空间紧张的应用中实现高度计算密集运算的能力。幸运的是，今天的系统设计者可以选择各种DSC来创建高性能汽车电子系统，同时最大限度地降低系统成本，加速产品的上市时间。
与之相关的是由最主要的DSC供应商提供的开发工具、应用程序库、开发板和参考设计的广泛阵容。所有这些工具使系统开发商能够以一种有效而适时的模式实现他们的设计。
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