原理图解读
这个流程图是用来描述L7250芯片的主轴电机控制系统的。它包括以下几个部分：
- KVIL：一个用于设置电机转速的数字乘法器
- SMOOTHDRIVE：一个用于实现伪正弦波驱动的电路
- DIGITAL MULTIPLIER：一个用于调节电机扭矩的数字乘法器
- COUNTER：一个用于计数电机转动步数的计数器
- MEMORY ADDRESS：一个用于存储和读取电机驱动配置的地址寄存器
- FSCAN：一个用于扫描电机绕组电流的电路
- CROSSING BITS：一个用于检测电机绕组电流过零点的电路
- ZERO CROSSING：一个用于输出过零点信号的引脚
- WINDOW MASK：一个用于设置过零点检测窗口的寄存器
- PWM MASK：一个用于设置PWM信号屏蔽时间的寄存器
- OUR DAC：一个用于输出PWM信号给电机绕组的数字模拟转换器
- SPINDLE MOTOR：主轴电机
这个流程图的基本原理是：
- 通过KVIL和DIGITAL MULTIPLIER设置电机的转速和扭矩，然后通过SMOOTHDRIVE生成伪正弦波信号给OUR DAC。
- OUR DAC将数字信号转换为PWM信号，然后输出给SPINDLE MOTOR的三个绕组U，V，W。
- FSCAN和CROSSING BITS对三个绕组的电流进行扫描和检测，当某个绕组的电流过零点时，输出一个信号给ZERO CROSSING引脚。
- ZERO CROSSING引脚可以用来同步电机的位置和速度，以及调整PWM信号的相位和频率。
- WINDOW MASK和PWM MASK可以用来设置过零点检测窗口和PWM信号屏蔽时间，以优化电机的性能和效率。
1.Spindle Smoothdrive Functionality
L7250采用ST的专有Smoothdrive换向算法。Smoothdrive是一种电压模式的伪正弦主轴驱动方案，其中三个绕组的占空比被调制以形成每个绕组上的正弦电压。该系统以完全数字化的方式确定驱动电压的形状和幅值。
什么是主轴平滑驱动
主轴平滑驱动（Spindle Smoothdrive）是一种用于控制机械主轴运动的驱动技术。它旨在通过调整驱动信号的形状和幅值，实现主轴的平滑运动。
主轴平滑驱动的目标是减少主轴运动中的振动、噪音和震动，提高加工质量和精度。通过在驱动信号中引入合适的调制和滤波技术，可以使主轴的转速和加速度变化更加平滑，减少不必要的冲击和波动。
主轴平滑驱动通常采用电压模式控制，其中驱动信号的形状和幅值被调制以产生平滑的转速曲线。这种驱动方式可以通过数字控制系统实现，通过精确的算法和参数调整，使主轴运动更加稳定和可控。
什么是伪正弦主轴驱动方案
伪正弦主轴驱动方案是一种用于控制机械主轴运动的驱动技术。它通过调制驱动信号的占空比来模拟产生类似正弦波形的电压信号，从而实现主轴的运动控制。
在伪正弦主轴驱动方案中，驱动信号的占空比被调整以模拟正弦波形。通过改变占空比，可以改变驱动信号的平均电压值，从而控制主轴的转速和加速度。这种驱动方案通常使用脉宽调制（PWM）技术来生成驱动信号。
伪正弦主轴驱动方案的优点是简单、成本低廉，并且可以通过数字控制系统进行精确的调节和控制。它可以在不需要复杂的电路和控制算法的情况下实现主轴的平滑运动。
然而，伪正弦主轴驱动方案也存在一些限制。由于使用占空比调制来模拟正弦波形，所以在低速运动或高速运动时，可能会出现波形失真或频率响应不均匀的问题。因此，在一些对主轴运动精度要求较高的应用中，可能需要采用更复杂的驱动方案来实现更精确的控制。
2.SYSCLK
Smoothdrive系统时钟通过SYSCLK引脚传输。系统期望在此引脚上接收到33MHz或16.5MHz的时钟信号，并且需要内部的16.5MHz时钟。可以通过SPI寄存器位PRESMO启用SYSCLK除以2的功能，以适应33MHz的外部时钟。
3.Smoothdrive Wave shape
基本的Smoothdrive波形形状存储在数字存储器中。已经实现了一种电压配置文件，旨在减少开关损耗并增加电压余量。本质上，两个相位进行PWM调制，而第三个相位的低侧驱动器则以100%的占空比开启。PWM占空比的调制方式使得所有3个电机相位上的电流呈正弦波形。与在所有三个相位上驱动真正的正弦波相比，以这种方式驱动可以提高电压余量和效率，接近传统的6态换向的效果。
系统通过在每个电气周期中感知一个绕组的BEMF零交叉来与电机进行相位锁定。在该绕组中打开一个窗口，并将其三态化以允许感知零交叉。窗口开启的宽度是可编程的，并且在稳态下可以非常小。频率锁定环使波形与电机速度保持同步。该系统完全是数字化的，不需要外部组件。
Smoothdrive波形与电机同步。它将电气周期（从一个零交叉到下一个）分为48个均匀间隔的采样周期。对于每个采样周期，Smoothdrive逻辑中的表定义了每个电机相位的驱动占空比。内存地址计数器通过循环顺序地对采样进行计数，并在每个周期内以N次时钟脉冲进行时钟。以下是频率锁定环系统的工作原理：
这个设计中每个电子旋转中有N个正弦波样本。每个电气周期（从一个零交叉到下一个）由一个定时器测量，其有效频率为Fsysclk/48（系统时钟频率/48），从而得到测量的零交叉周期Tc。定时器实际上并不以Fsysclk/48的速度运行，分辨率更接近于Fsysclk/3。
FSCAN计数器是一个向下计数器，预装载Tc，并以Fsysclk的频率运行。每当FSCAN计数器计数到零时，它发出一个脉冲，然后重新设置为Tc并再次计数。这个循环在每个电气周期内发生N（48）次。因此，FSCAN计数器根据先前的Tc将电气周期分为N个均匀间隔的采样。这个块输出的脉冲信号，每个电气周期发生48次，称为FSCAN。
内存地址计数器计算FSCAN脉冲，并告诉Profile逻辑在每个Smoothdrive采样周期中使用哪些全幅占空比值。
什么是电压余量
电压余量是指在电路或系统中，电压的最大可容忍范围与实际工作电压之间的差值。它表示了系统在正常工作范围内的电压波动能力。电压余量的大小取决于系统的设计要求和所使用的元件的额定电压范围。较大的电压余量意味着系统对电压波动的容忍度更高，而较小的电压余量则表示系统对电压波动的容忍度较低。在设计电路或系统时，通常需要考虑电压余量以确保系统的稳定性和可靠性。
什么是传统的6态换向
传统的6态换向是一种用于控制电机的换向方法。在这种方法中，电机的相位电流通过切换不同的电路连接方式来实现。具体而言，电机的三个相位分别与电源的正、负极性相连，形成六种不同的连接方式。这些连接方式被称为6态，分别是正向、反向和断开连接的组合。通过在不同的时间点切换相位的连接方式，可以实现电机的旋转。传统的6态换向方法通常使用电机驱动器和外部电路来控制相位的切换，以实现电机的正常运转。
绕组的BEMF零交叉怎么理解
在电机中，BEMF（反电动势）是指当电机的绕组中的线圈切割磁场时产生的感应电动势。BEMF的零交叉是指BEMF信号穿过零电平的时刻。
当电机运行时，绕组中的线圈会切割磁场，产生BEMF信号。这个BEMF信号的大小和极性取决于电机的运行状态和转子位置。当转子位置发生变化时，BEMF信号的大小和极性也会相应变化。
BEMF的零交叉点是指BEMF信号从正电平过渡到负电平或从负电平过渡到正电平的时刻。这个零交叉点可以用来检测电机的转子位置，因为在特定的转子位置上，BEMF信号会经过零交叉点。通过检测BEMF信号的零交叉点，可以确定电机的转子位置，并实现准确的换向操作。
相位锁定
相位锁定是一种控制技术，用于将一个信号与参考信号保持相位一致。在相位锁定中，系统通过调整自身的相位或频率，使得输出信号与参考信号的相位保持恒定或保持特定的相位关系。
相位锁定常用于需要保持同步或精确相位关系的应用中，例如通信系统、时钟同步、音频处理等。它可以确保不同的信号在时间上保持一致，从而实现数据的准确传输和处理。
相位锁定的实现通常涉及使用锁相环（PLL）或相关的控制算法。锁相环是一种反馈控制系统，通过比较输入信号和参考信号的相位差，并根据差异来调整输出信号的相位或频率，以使其与参考信号保持一致。
如何理解在该绕组中打开一个窗口，并将其三态化以允许感知零交叉
在该绕组中打开一个窗口并将其三态化，是为了允许感知零交叉点。这个过程通常在电机控制中用于检测电机的转子位置和实现换向操作。
打开一个窗口意味着在绕组中选择一个特定的时间段或位置，以便观察和感知信号的变化。这个窗口可以是一个固定的时间段，也可以是与信号特征相关的位置。
将窗口三态化意味着将窗口内的信号分为三个状态：正态、负态和零态。正态表示信号的电平为正，负态表示信号的电平为负，零态表示信号的电平为零。
通过将窗口三态化，我们可以观察信号在窗口内的变化，并判断信号是否穿过零交叉点。当信号从正态过渡到负态或从负态过渡到正态时，我们可以确定信号经过了零交叉点。
感知零交叉点对于电机控制非常重要，因为它可以帮助确定电机转子的位置，并实现准确的换向操作。通过感知零交叉点，我们可以确定电机转子的角度和位置，从而实现精确的控制和调整。
Smoothdrive波形
Smoothdrive波形形状是一种用于驱动电机的波形形状。它通过将电气周期分为48个均匀间隔的采样周期，并使用表格定义每个采样周期的驱动占空比来实现。该系统通过与电机的相位锁定和频率锁定环保持同步。具体而言，它使用一个定时器测量电气周期的长度，并将其分为48个采样周期。FSCAN计数器将电气周期分为48个均匀间隔的采样，并通过FSCAN脉冲信号告知Profile逻辑在每个Smoothdrive采样周期中使用哪些占空比值。这种方式可以提高系统的效率和电压余量，接近传统的6态换向的效果。整个Smoothdrive系统是完全数字化的，不需要外部组件。
4.PWM rate
PWM频率与Smoothdrive样本率无关。最低PWM频率为32.2千赫兹，对应16.5兆赫兹的主系统时钟，由(Fsys/512)定义。主系统时钟可以是SYSCLK或SYSCLK/2，通过串行端口选择（SYSCLK/2是上电时的默认设置）。每个样本周期有9位分辨率来定义占空比。
PWM计数器在每个电子周期（即零交叉点）的开始时被重置。PWM占空比由将适当的占空比值与计数器进行比较来定义，这些占空比值是通过将来自SPI的幅度值KVAL与Smoothdrive波形表中的值相乘得到的。
5.Supply Voltage Compensation via ADC
Smoothdrive系统采用电压模式驱动方案。如果没有补偿措施，主轴驱动的振幅将与电机供电电压成比例。L7250实现了一种供电电压补偿方案，使驱动振幅与电机供电电压无关。
内部的6位ADC读取电机供电电压的变化（+/-10%），并修改应用的占空比以保持应用的电压恒定。一个副作用是PWM频率也将发生变化，除了占空比。
ADC运行在一个从SYSCLK派生的4MHz时钟上（如果PRESMO位被设置为零，则被分为8，否则分为4）。每个PWM周期内，转换结果会影响PWM计数器一次，通常为32 kHz。
6.BEMF comparator Hysteresis
在比较器的输出变化中引入一种死区或延迟，以防止输出频繁切换或抖动。这种滞后通常用于提高比较器的稳定性和减少干扰。在BEMF比较器中引入滞后可以帮助确保只有在电压或信号超过一定阈值并保持一段时间后，才触发比较器的输出状态改变。
由于仅检测到一种极性的零交叉（ZC），BEMF比较器的滞后不再需要提供时间偏移。在重要边缘上滞后为零，而在另一边缘上启用。因此，可以使用更大的滞后值，以提供在低速滑行时的噪声抵抗性，而不会影响ZC定时。
50毫伏的滞后值提供了足够的灵敏度，以检测运动的启动，同时在电机移动非常缓慢或停止时提高了抗噪性。
7.Startup Algorithm Description
L7250的主轴电机启动由固件控制，包括四个明确定义的阶段：感应位置检测，用于确定转子位置；开环换向，通过加速电机以建立反电动势（BEMF）；同步，用于测量电机速度和位置，初始化Smoothdrive系统；闭环Smoothdrive换向，正常的同步换向模式，以加速并在运行速度下运行。
7.1Inductive Position Sense
感应位置检测
感应位置检测是通过一个固件例程实现的，该例程测量六个可能状态（六步配置）中的每一个的电流上升时间，并利用这些信息来确定转子位置。 这个六步配置仍然来自包含48个样本的Profile Memory，但在这种情况下只有六种不同的配置，每种配置都重复八次；逐个增量地线性扫描内存，每八个增量就会生成一个新的六步配置。 在进行任何操作之前，固件例程必须将SPI中的KVAL值设置为最大值（1），以使提供给电机的PWM信号饱和，并将Memory Address Counter置于已知位置（3）；这是通过将电机保持在OLCOAST状态（2）并断言LoadCP命令，使得 TO 值作为当前采样位置被加载（4）来实现的，以将扭矩优化器相关的SPI寄存器的内容加载到Memory Address Counter中。 在这一点上，当 前的六步配置可以通过INDSENSE状态（5）通电，等待电流达到通过SPI可编程设置的阈值（6）；电流限制比较器将被此条件触发，并其输出将可见于ZC引脚。电流上升时间将由ASIC（7）测量并存储。 设备会自动限制三个相的PWM信号以限制电流，但绕组中的电流必须通过固件重新循环，将电机置于OLCOAST状态（8）。 必须从SPI发出一连串的八个ADVANCE信号（*9）以达到Profile Memory中的下一个配置，然后可以重复该过程。每个绕组可以被激发多次，以对测量结果进行平均处理，在感测序列结束时，ASIC会决定转子的位置。
TO:TO值是一个相位偏移量，用于优化力矩。它可以通过SPI寄存器设置，也可以通过负反馈控制。TO值的作用是根据电机的负载和速度，调整驱动电压的相位，使得电机的力矩最大化，同时降低功耗和噪音。TO值的范围是0到45度，每个步进是0.937度
电机状态解释
| 2进制表示 | 名称 | 状态功能 |
|---|---|---|
| 0000 | CLCOAST | 电机的两个输入端都连接到地线，电机处于制动的状态 |
| 0001 | OLCOAST | 电机的两个输入端都断开，电机处于自由滑动的状态 |
| 0010 | OLSIX | 电机使用六步换相法进行无刷直流电机控制，每个绕组的PWM信号由配置存储器提供 |
| 0011 | OLSIN | 电机使用正弦换相法进行无刷直流电机控制，每个绕组的PWM信号由配置存储器提供 |
| 0100 | OLBRAKE | 电机的两个输入端都连接到电源，电机处于制动的状态 |
| 0101 | INDSENSE | 电机使用感应位置检测法进行无刷直流电机控制，每个绕组的PWM信号由配置存储器提供，同时测量电流上升时间来确定转子位置 |
| 0110 | CLSIX | 电机使用六步换相法进行无刷直流电机控制，每个绕组的PWM信号由SPI接口提供 |
| 0111 | CLSIN | 电机使用正弦换相法进行无刷直流电机控制，每个绕组的PWM信号由SPI接口提供 |
| 1000 | CLBRAKE | 电机的两个输入端都连接到地线，同时向绕组施加一个反向的PWM信号，以实现快速制动 |
7.2Open Loop Commutation
在完成位置感知后，微控制器按照恒定加速度曲线进行电机换向，直到产生足够的反电动势（BEMF）以可靠地测量它。
开环换向的起始位置由位置感知程序确定，并通过首先使用LOADCP（*1）初始化内存地址计数器，然后时钟ADVANCE，0->1 使当前采样位置增加一（*2）适当次数（每个6状态位置8个脉冲）来设置。在设置初始状态时，主轴状态将为OLCOAST。
然后，根据需要进行6状态或正弦模式的开环换向，启用OL_SIX或OL_SIN模式的驱动器（*3）。
一旦电机加速到适当的速度（*4），通过过渡到OLCOAST（*5）和CLCOAST状态将电机三态化，如下所述，以将Smoothdrive系统与电机同步。
7.3Synchronization to Smoothdrive Commutation
当开环换向完成后，驱动器将被置于OLCOAST模式，并在延迟一段时间后设置BEMF采样周期，然后断言CLCOAST，以便可以检测和测量零交叉周期（Tc，即两个BEMF零交叉之间的时间）。
BEMF采样周期在OLCOAST状态下设置（*1），并在延迟后（30微秒）断言Load CP（*2）。在经过Tc0时间延迟（建议为300微秒）后，另一个Load CP被断言（*3）；这初始化了BEMF采样的电气周期。一旦编程完成，转换到CLCOAST状态（*4），BEMF以Tc0的速率进行采样，以寻找两个连续的低电平读数（预期为低电平到高电平的零交叉转换（*5））。
在第一个零交叉上升沿之后，BEMF采样周期被刷新为Tc0值。
如果检测到两个连续的零交叉边沿（*6），则在最后一个上升沿之后，Smoothdrive换向与电机转子位置同步，并准备好在闭环换向中进行编程。
在过渡到闭环启动（CLSIX或CLSIN）之前，必须观察到至少两个零交叉（*7a或*7b）。这确保了Smoothdrive电路与主轴电机同步。
7.4Closed Loop Commutation
在闭环换向期间，电机按照平滑驱动波形（或传统的六步进轮廓）驱动。为了保持同步，每个电气周期，主轴电机的一个绕组（相U）会被三态化，以便通过可编程的窗口（W）（通过SPI设置）来感知零交叉的发生；为了屏蔽电流回馈时间，从打开的窗口开始，应用一定数量M的样本（通过SPI可设置）的屏蔽时间。由于电机绕组以电压模式驱动，需要控制施加电压和BEMF之间的相位差，以优化系统效率（效率损失与BEMF和电流之间的角度的余弦相关）。通过SPI，可以根据应用特性（Rm、Lm、速度）设置适当的扭矩优化器（TO）值。
当检测到零交叉时，电路从TO寄存器指定的样本数开始扫描存储的平滑驱动波形（或传统的六步进轮廓）；在之前的一定数量的样本之前，三态化窗口会打开。
下表显示了TO寄存器内容与窗口和屏蔽时间位置和持续时间之间的关系：
| start | stop | |
|---|---|---|
| window | TO-W | At ZC detextion |
| mask | TO-W | TO-W+M |
请注意，具体的窗口位置、持续时间和屏蔽时间的设置取决于TO寄存器的内容，可以根据应用的特定要求进行调整。
Spindle PWM Current Limiting
峰值电机电流通过与Smoothdrive PWM频率配合工作的固定频率PWM方案进行限制。当达到电流限制阈值时，电机被置于制动状态，并在下一个PWM周期开始时重新启用，前提是电流限制条件不成立。
通过将外部电阻连接从低侧驱动器源到地，可以感知主轴电流。该感知电压与内部可编程电压参考（Reg04H Currdac2:0]）进行比较。
内置数字滤波器会生成一个SYSCLK衍生的延迟（20 * SYSCLK周期），用于超过电流事件。这个延迟出现在电流限制比较器的两个边沿上。
Slew Rate Control
高侧和低侧驱动器的两个边沿都提供了闭环电压斜率控制。斜率值可以通过串行端口中的三个位（Reg04H Spslew2:0]）进行设置。可控制的斜率范围为80V/us至10V/us。
闭环电压斜率控制可以调节驱动器输出电压的变化速率。通过控制斜率，可以限制电压的上升和下降速度，以避免电压变化过快引起的电磁干扰和其他问题。通过设置Reg04H Spslew[2:0]的值，可以选择所需的斜率范围，以满足应用的要求。
Synchronous rectification
在关断时间阶段，适当的低侧驱动器被启用，以较低的电压降导通回流电流，比低侧驱动器的体二极管更低，从而减少功率损耗。提供交叉电流保护以防止串通电流。
Open loop and closed loop brake
主轴制动可以在保持Smoothdrive系统与电机同步的情况下进行，也可以不进行同步。
闭环制动意味着仍然以与正常换向相同的方式检测零交叉。因此，所有3个电机相位都被驱动为低电平，但在通常打开窗口以寻找零交叉时，MOTU被三态化。当发生零交叉时，MOTU与其他电机相位一样被驱动为低电平，直到下一个窗口出现。静止的电机将等待零交叉，保持MOTU三态化和其他两个相位为低电平。开环制动意味着所有3个电机相位都被驱动为低电平，并且不检测零交叉。由电源故障引起的制动始终是开环制动。
CBRK在电源故障后为制动电路提供控制电压。该引脚上的外部电容器被充电至5V，以便在电源故障后保持电容器充电状态。
参考文献
TIME DOMAIN DUTY CYCLE SIGNALS
时域占空比信号
可靠性和容错性提高对于关键工业应用中的逆变器供电变频交流电机驱动非常重要。本文描述了三相感应电机驱动在逆变器故障条件下以单相模式进行变频、变电压操作。单相模式下对机器进行详细的数学分析表明，可以在机器端注入适当幅度和相位的奇次谐波电压，以抵消大幅度低频脉动转矩，从而实现平稳的驱动操作。理论上推导出了所需谐波电压的幅度和相位角。然而，为了消除参数变化效应和工作点依赖性，本文提出了一种通用的搜索算法，可以实时生成所需的谐波电压。该搜索算法首先在模拟驱动系统上进行手动测试以证明其有效性，然后在实验室中对一台3马力的电压/频率控制驱动系统进行了广泛测试。
