三相BLDC电机在汽车电子中应用十分广泛，例如座椅风扇、充电小门执行机构、主动进气格栅以及空调出风口等场景。对于这类车载小型执行机构，工程师通常希望在满足可靠性的同时，实现系统的低成本、小型化和轻量化设计。
针对这一需求，纳芯微推出了专用小型电机驱动芯片NSUC1610。该芯片在单器件中集成了车载高压LDO、LIN PHY、Gate Driver、MOSFET以及基于ARM内核的MCU,可为三相BLDC电机提供高度集成的控制方案，从而简化系统设计并提升车载电机控制的可靠性。
本文将从BLDC电机的工作原理出发，介绍无感控制的基本方法，并结合NSUC1610的硬件架构解析其三相BLDC驱动方案的实现方式。

BLDC工作原理

无刷直流电机(BLDC)通过电子换向取代传统有刷直流电机的机械换向，因此具有寿命长、效率高以及功率密度高等优势。BLDC电机通常由三相定子绕组和永磁体转子构成。当定子绕组通电后，根据电磁感应原理会产生定子磁链;转子永磁体则形成固定的转子磁链。当两者之间存在一定角度差时，磁场会趋向于对齐，从而产生电磁转矩驱动转子旋转。
电机产生的电磁转矩可表示为:
T=I.(KT.sinθ)
T是产生的转矩
1为线圈内的电流KT为电机转矩常数
θ为定子磁链和转子磁链的角度

如图1.1所示，当定子A相与C相绕组导通时，两相电流根据右手螺旋定则产生磁场，其磁链矢量叠加后形成定子磁链(红色)。转子永磁体则产生固定方向的转子磁链(深红色)。当定子磁链与转子磁链之间存在一定角度差时，磁场会趋向于对齐，从而产生电磁转矩，使转子产生顺时针旋转趋势(黑色)
无感控制的基本原理是通过检测六步换相过程中悬空相的反电动势变化来判断转子位置，从而确定合适的换相时刻。在电机旋转过程中，转子永磁体产生的磁场会切割定子绕组，根据电磁感应原理，绕组中会产生感应电动势，即反电动势。
如图1.2所示，以A、C两相施加12V电压为例，此时B相处于悬空状态，其反电动势Vbe会经历由负到正的变化过程。由于三相电机的虚拟中性点电压约为母线电压的一半(约6V)，因此B相的相电压可表示为6十Vbe。
当检测到B相电压等于6V时，说明反电动势发生过零，此时转子位于两个换相点之间。通过延迟约30°电角度进行换相，即可实现正确的六步换相控制，其余扇区的换相过程同理。

三相BLDC需要三个半桥驱动

NSUC1610 介绍

NSUC1610内部集成了丰富的电机控制外设，包括3路捕获比较模块(CAPCOM)、3路反电动势比较器(BEMFC)、模数转换器(ADC)、PWM控制模块、温度传感器、4路MOSFET°半桥输出(MOUT)以及LIN通信接口(LIN PHY) 等。
其中，片上的4路MOUT半桥驱动可直接驱动小功率直流有刷电机、三相无刷直流电机以及两相四线步进电机，并可通过不同控制算法实现多种电机控制应用。
此外，芯片内置的BEMFC反电动势比较器支持BLDC电机反电动势过零检测，可用于实现BLDC电机的无感六步方波控制
图2.1展示了NSUC1610的内部资源框图。

基于NSUC1610的BLDC方波控制

BLDC常见的控制方式为六步方波控制。在每个换相周期中，三相绕组中两相导通，一相悬空，通过按照特定的导通顺序切换各相绕组的通断状态，即可驱动电机实现顺时针旋转(CW)或逆时针旋转(CCW)
在CW(顺时针)模式下，扇区切换顺序为:
SECTOR0-1-2-3-4-5-0
图3.1展示了扇区0~5对应的三相电流与反电动势波形，其中绿色曲线表示相电流，蓝色虚线表示相电压(反电动势)。

在CCW(逆时针)模式下，扇区切换顺序为:
SECTOR0-5-4-3-2-1-0
扇区0~扇区5的三相电流和反电动势波形如图3.2所示。

在一个电角度旋转周期内，BLDC三相绕组的相电压变化如图3.3所示。当发生换相时原本导通的绕组会进入浮空状态，但由于线圈中仍然存在电流，电感电流无法瞬间降为零，因此会产生一段退磁时间(Demagnetization Time)。
在这一阶段，绕组中的续流电流仍然存在，使得相电压主要由续流电流产生的电压分量决定，此时测得的反电动势信号尚不能准确反映转子位置。待绕组中的能量逐渐释放完毕后，绕组电压重新由切割磁力线“产生的反电动势主导，此时的反电动势信号才可作为转子位置检测和换相控制的依据。

在续流结束后，使能反电动势过零检测。当检测到反电动势过零点时，通过CAPCOM模块捕获该时刻，并设置比较值用于实现30°电角度延时换相。
下一次换相比较值计算如下:

图3.4展示了各变量对应的时间关系。
为了避免在某些扇区未检测到反电动势过零点的情况，在每次换相后还会设置 强制换相点(Forced Commutation)。当系统未检测到过零信号时，电机会在该强制换相点执行换相，从而避免因过零检测失败导致电机运行异常。
其中LastStepAvrg表示最近六个扇区时间的平均值。

BLDC无感六步方波控制的核心在于反电动势(BEMF)的过零检测。通过检测反电动势信号的上升沿或下降沿，可以确定转子的电角度位置，并进一步实现换相控制。
下面介绍NSUC1610中反电动势过零检测的硬件实现方式。
NSUC1610内部集成了三个反电动势比较器(BEMFCO、BEMFC1、BEMFC2),用于实现三相反电动势的过零检测。比较器的输出结果可作为虚拟三相Hall信号，用于驱动三相BLDC无感六步方波控制算法。
具体实现方式如下:三相电压的虚拟中性点(Virtual Star Point)连接至BEMFC0.BEMFC1、BEMFC2的正向输入端;各相桥臂电压分别连接至比较器的反向输入端，其中:
moutO连接至BEMFCO的反向输入端
mout2连接至 BEMFC1的反向输入端
mout1连接至 BEMFC2的反向输入端
其硬件连接关系如图3.5所示。

反电动势比较BEMFC模块的配置代码如下:

BEMFCO、BEMFC1和 BEMFC2 的比较输出分别连接至CAPCOMO、CAPCOM1和CAPCOM2，用于实现反电动势过零点的捕获。其中:
CAPCOMO用于捕获 moutO的过零点
CAPCOM1用于捕获 mout2的过零点
CAPCOM2用于捕获 mout1的过零点

通过将CAPCOM的输入源配置为BEMFC比较器输出，即可在反电动势过零时触发捕获事件。配置代码如下:

当电机以CW 或CCW 方向旋转时，在同一扇区内浮空相的反电动势变化趋势保持一致，即呈现递增或递减的特性。
以扇区0为例,无论电机以CW 还是CCW方向旋转，浮空相MOUT2的反电动势均呈递增趋势()，因此需要检测其上升过零点。
六个扇区中需要检测的通道及对应的反电动势变化趋势总结如 表3.6所示。

CAPCOM在不同扇区的配置如表3.7所示。

通过上述配置，利用NSUC1610的片上资源即可实现对BLDC浮空相反电动势的检测与捕获。
在NSUC1610的硬件模块与控制算法协同作用下，可实现BLDC从电机启动到速度闭环运行的完整控制流程。图3.8展示了 NSUC1610驱动下的BLDC三相电压与电流波形。
从测试结果可以看出，电机启动及运行过程中三相电流过渡平滑，未出现明显电流尖峰，验证了该方案能够实现稳定可靠的BLDC启动及闭环控制。

通过将MCU、LIN通信、电机驱动以及功率MOSFET等功能高度集成在单芯片中，NSUC1610能够显著简化BLDC电机控制系统的硬件设计。结合内置反电动势比较器和CAPCOM模块，可实现稳定可靠的无感六步控制方案。
该方案非常适用于汽车小型执行机构应用，例如主动进气格栅、充电小门以及座椅风扇等场景，为汽车电子系统提供了一种高集成度、低成本且易于开发的电机控制解决方案。