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如何設(shè)計高性能和低功耗的電機(jī)控制系統(tǒng)？

發(fā)布時間：2021-01-26 來源：Brett Novak/Bilal Akin 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】數(shù)字電機(jī)控制的首次推出旨在克服傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)在處理漂移、組件老化和由溫度引起的變化等方面的挑戰(zhàn)。靈活的軟件算法不僅消除了與組件有關(guān)的容差問題，還使開發(fā)者能夠動態(tài)地適應(yīng)環(huán)境條件隨著時間的變化。

摘要

數(shù)字電機(jī)控制的首次推出旨在克服傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)在處理漂移、組件老化和由溫度引起的變化等方面的挑戰(zhàn)。靈活的軟件算法不僅消除了與組件有關(guān)的容差問題，還使開發(fā)者能夠動態(tài)地適應(yīng)環(huán)境條件隨著時間的變化。例如，使用數(shù)字化實(shí)施現(xiàn)在不僅能夠完全打開或關(guān)閉風(fēng)扇電機(jī)，還能根據(jù)系統(tǒng)溫度調(diào)整風(fēng)扇速度。此外，系統(tǒng)還能夠自行校準(zhǔn)，從而不需要安排常規(guī)的手動維護(hù)。

本文概述了電機(jī)控制設(shè)計方面的事項(xiàng)，例如多個電機(jī)控制、磁場定向控制、功率因數(shù)校正和傳感器控制。此外還介紹了當(dāng)今的微控制器 (MCU) 如何使各種廣泛的應(yīng)用具有更大精度、更小功耗和更低成本。

當(dāng)今的微控制器 (MCU) 可使各種廣泛的應(yīng)用具有更大精度、更小功耗和更低

成本，包括：

•帶有風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的白色家電和設(shè)備，例如洗衣機(jī)和冰箱

•HVAC（取暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)

•用于電機(jī)控制、電源逆變器和機(jī)器人的工業(yè)伺服驅(qū)動

•汽車控制系統(tǒng)，包括動力轉(zhuǎn)向、防鎖死剎車和懸架控制

TI 了解開發(fā)者在設(shè)計這些高性能電機(jī)控制系統(tǒng)時面臨的挑戰(zhàn)。制造商尋求引入先進(jìn)的控制算法以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，而日益增加的政府法規(guī)要求更高效的功耗和減少 EMI。

為了幫助開發(fā)人員應(yīng)對這些多種多樣的挑戰(zhàn)，TI 提供了 TMS320C2000™ Piccolo™ MCU 系列。 Piccolo MCU 具有優(yōu)化的架構(gòu)，集成了專用外設(shè)，能夠：

•使用實(shí)時算法獲得更精確的控制

•通過功率因數(shù)校正 (PFC) 獲得更高的功效和更好的控制

•支持通過單芯片控制多個電機(jī)

• 通過無傳感器控制簡化設(shè)計

•降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本

Piccolo 的優(yōu)點(diǎn)

Piccolo MCU 利用 TI 的高性能 TMS320C28x™ 內(nèi)核，提供以單一獨(dú)立控制器控制系統(tǒng)所需的所有性能和外設(shè)。通過充足的余量和專用外設(shè)，Piccolo MCU 使開發(fā)者能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的控制算法，在進(jìn)一步提高性能的同時降低系統(tǒng)成本。

Piccolo™ 架構(gòu)已針對數(shù)字控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有先進(jìn)的架構(gòu)特性，增強(qiáng)了高速信號處理能力。 Piccolo 的主 CPU 內(nèi)核具有單周期 32×32 位乘法及累積單元等內(nèi)置 DSP 功能，大幅度提高了計算速度。此外，諸如 ADC 和 PWM等控制外設(shè)設(shè)計得非常靈活，能夠輕松適應(yīng)幾乎任何用途，而需要的軟件開銷極小。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器所具有的自動序列發(fā)生器允許開發(fā)者進(jìn)行編程，以循環(huán)通過特定次序的樣本，這樣當(dāng)應(yīng)用程序需要時值已就緒。使用更智能的控制外設(shè)和強(qiáng)大的 CPU 內(nèi)核，控制環(huán)路運(yùn)行更緊密，既改進(jìn)了控制算法的動態(tài)特性，又減少了干擾行為。

TMS320F2803x 和 F2806x Piccolo MCU 上集成的控制律加速器 (CLA) 是一個 32 位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加

速器，它能有效承載主 CPU 內(nèi)核的高速控制環(huán)路。 CLA 在不經(jīng)過 CPU 內(nèi)核的前提下通過

對外設(shè)的直接訪問和響應(yīng)外設(shè)中斷的能力實(shí)現(xiàn)此過程。與獨(dú)立內(nèi)核相似，CLA 有自己的

指令集和內(nèi)存空間，可以完全獨(dú)立于 CPU 進(jìn)行操作。

其他重要的 Piccolo MCU 特性包括：

•3.3-V 單電源支持全部功能的運(yùn)行

•雙內(nèi)部高精度振蕩器；無需外部晶體

•12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器具有 16 通道，最大采樣頻率為每秒 4.6 兆樣本

• 多達(dá) 19 通道的 PWM 輸出，具有可配置自動死區(qū)

•19 個 PWM 通道中有多達(dá) 8 個可以在高分辨率模式下工作，其可以低至 150 皮秒

•增強(qiáng)型正交編碼器脈沖 (QEP) 和增強(qiáng)型捕捉外設(shè) (eCAP) 可以簡化傳感器解碼

精確和準(zhǔn)確控制

Piccolo 架構(gòu)提供極佳的處理功能，達(dá)每秒 4000 至 8000 萬條指令 (MIPS)。這樣的高性能使開發(fā)者不僅能夠同時監(jiān)視和控制多個電機(jī)，還能夠執(zhí)行更復(fù)雜的控制算法以實(shí)現(xiàn)更高的精度、更流暢的性能和更低的功耗。例如，單一 Piccolo MCU 能夠在控制兩個電機(jī)的同時維持有源 PFC 控制，并且仍然有足夠的處理能力來執(zhí)行高級電機(jī)控制算法，例如無傳感器的磁場定向控制 (FOC)。

脈寬調(diào)制 (PWM) 在產(chǎn)生供應(yīng)給電機(jī)或高性能電源的電壓或電流中發(fā)揮重要的作用。控制算法的最新改進(jìn)使開發(fā)人員能夠?qū)嵤└叨染_的算法，以提供與系統(tǒng)行為實(shí)時變化相適應(yīng)的動態(tài)控制。 FOC 具有很多優(yōu)勢，包括低速的全電機(jī)扭矩功能、出色的動態(tài)行為、跨越很大速度范圍的高效率、對扭矩和磁通的解耦控制、短期過載功能和四象限操作。但是，F(xiàn)OC 也要求比標(biāo)準(zhǔn)的控制方案明顯更加復(fù)雜的計算。

圖 1. 如果組合 Clarke 和 Park 變換（如上述定義），我們可從三相旋轉(zhuǎn)域移至固定域：僅需實(shí)時控

制 DC 數(shù)量。

圖 2. 定子電流矢量去耦為扭矩和通量分量，以執(zhí)行磁場定向控制。

FOC 原理是通過對電機(jī)的相電流進(jìn)行采樣來控制定子磁場的角度和振幅分量，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其易于控制。電機(jī)的三相電流通過 ADC 讀入系統(tǒng)。這些相電流處于三相旋轉(zhuǎn)域內(nèi)，并使用 Clarke 變換將其轉(zhuǎn)換為二維旋轉(zhuǎn)域。由此，可使用 Park 變換將這兩個相位轉(zhuǎn)換到固定域內(nèi)，如圖 1 所示。 Clarke 和 Park 變換可被可視化為彼此的矢量投影，如圖 2 所示。 Park 變換會產(chǎn)生通量分量 Id 和轉(zhuǎn)矩分量 Iq。永磁電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩僅取決于轉(zhuǎn)矩分量Iq。因此，最便捷的控制策略即是將通量分量 (Id) 設(shè)置為零，這將最大限度地減少轉(zhuǎn)矩電流比并提高電機(jī)效率。電流分量的控制需要具備有關(guān)瞬時轉(zhuǎn)子位置的知識。轉(zhuǎn)子位置既可使用無傳感器技術(shù)計算，也可使用傳感器測量。由于 Park 變換的輸出位于固定域中，因此可使用 PID 回路等傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行控制。然后可將 PID 回路的輸出輸入到逆向 Park、逆向 Clarke 中，然后直接輸入到電機(jī)驅(qū)動器。

圖 3 下頁所示為完整的 FOC 電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用無傳感器技術(shù)以獲取轉(zhuǎn)子位置。三相逆變器的 ADCINx 和 ADCINy 輸出是三個相電流之二；第三種很容易計算。如上所述，相電流從此處輸入 Parke 和 Clarke 變換中。此無傳感器系統(tǒng)根據(jù)三相電流的反饋使用“SMOPOS”和“SMOSPD”計算轉(zhuǎn)子位置，消除了使用昂貴傳感器的需求。

FOC 是一種針對使用永磁 (PM) 電機(jī)的系統(tǒng)而設(shè)計的重要技術(shù)。 PM 電機(jī)在白色家電中的普及度日益增加，它們具備更高的功率密度且不易磨損，因此效率非常高。開發(fā)人員僅需提供幾個矢量和旋轉(zhuǎn)方向就可實(shí)現(xiàn)輸出的實(shí)時信號更新。 FOC 等先進(jìn)的控制機(jī)制是提高性能但不增加成本的重要技術(shù)。 Piccolo™ 架構(gòu)大幅簡化了對稱 PWM 波形的生成。利用 Piccolo MCU，開發(fā)者可以輕松引入更改精確的控制，同時仍然為 PFC 留出足夠余量。事實(shí)上，TI 是第一個以 2–6 美元的價格點(diǎn)在單芯片上同時支持 PFC 和 FOC 功能的公司。

圖 3. 適用于永磁電機(jī)的完整磁場定向控制系統(tǒng)。

功率因數(shù)校正

PFC 可確保電流波形遵循電壓波形，不論負(fù)載或輸入條件出現(xiàn)任何變化，它都能將輸出直流電壓調(diào)節(jié)為常量。當(dāng)以有源數(shù)字方式執(zhí)行 PFC 時，PFC 能更加精確，并能消除電壓和電流之間的所有相移。減少諧波電流含量非常具有吸引力，因?yàn)樗硎疽殉檫\(yùn)且未使用的無功功率。功率因數(shù)的重要性在于這一事實(shí)：公用事業(yè)公司向客戶提供伏安，卻以瓦特計費(fèi)。低于 1.0 的功率因數(shù)要求公用事業(yè)公司生產(chǎn)的伏安數(shù)大于提供實(shí)際功率（瓦特）所必需的最小伏安數(shù)。

此外，PFC 還用于平緩功耗和調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，當(dāng)冰箱中的壓縮機(jī)開啟時，它會在電力網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的負(fù)載，通常表現(xiàn)為壓降。這類功率峰值和諧波會損害脆弱的電子系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到峰值時，如果沒有 PFC，它們傾向于抽運(yùn)未消耗的功率，因而會降低總效率。此外，即使是在動態(tài)負(fù)載下，PFC 也能讓直流總線電壓保持穩(wěn)定。

PFC 對動力傳動鏈下游也有進(jìn)一步影響。由于電力公司需要生成更大的功率電容以適應(yīng)峰值，因此，行業(yè)鼓勵電子產(chǎn)品制造商采用 PFC 等技術(shù)來平緩功耗。在某些情況下，必須采用 PFC - IEC 60730 要求歐洲市場出售的白色家電中必須采用 PFC。

PFC 的模擬或無源實(shí)施被鎖定為單個模式，對操作條件變化的反應(yīng)能力有限。相反，有源或數(shù)字控制的 PFC 能作用于并適應(yīng)操作條件的變化。例如，當(dāng)空調(diào)即將打開壓縮機(jī)時，PFC 能在瞬時中斷時主動補(bǔ)償較大的負(fù)載。這不僅能減少生成的瞬態(tài)數(shù)量，還能使功率使用更為高效。數(shù)字 PFC 的靈活性也使開發(fā)人員可使用可能比 PFC 無源實(shí)施更復(fù)雜的 PFC 拓?fù)洹?/div>

不可小覷高分辨率 PWM 和 A/D 轉(zhuǎn)換器對有效 PFC 的重要性。維持模擬和數(shù)字域交匯處的信號完整性極其重要，因?yàn)檫@些交界處出現(xiàn)的任何錯誤都會降低性能。

多個電機(jī)的控制

許多系統(tǒng)都使用多個電機(jī)。例如，HVAC 系統(tǒng)需要管理一臺壓縮機(jī)和一臺風(fēng)扇。大多數(shù)實(shí)施要求每個電機(jī)和其他電機(jī)使用獨(dú)立的控制器以實(shí)施 PFC。

C2000™ Piccolo™ MCU 是第一種能夠使用單芯片通過 PFC 管理兩個電機(jī)的控制器。許多MCU 沒有為控制多個電機(jī)及執(zhí)行主動 PFC 所需的計算能力或集成外設(shè)。例如，控制電機(jī)可能需要工作頻率高達(dá) 20KHz 的控制回路。另一方面，PFC 需要約為 50 至 100KHz 的工作頻率。為了可靠地執(zhí)行此類高頻控制算法 - 這種情況下為兩個控制電機(jī)和一個管理 PFC -MCU 必須能夠在幾乎無延遲的情況下迅速有效地處理計算。

控制多個電機(jī)的能力不僅可以降低系統(tǒng)成本，還可以提高總功率效率和性能。對于操作雙電機(jī)的應(yīng)用，兩個電機(jī)都受相同 MCU 的控制，這一事實(shí)能夠讓控制器協(xié)調(diào)一臺電機(jī)相對于另一臺電機(jī)而言的加速速度。此外，由于兩個電機(jī)都抽運(yùn)相同的電流源，也可以對 PFC 實(shí)施進(jìn)行協(xié)調(diào)以取得更佳結(jié)果。

無傳感器控制

另一個潛在成本節(jié)約方面在于無傳感器反饋。可使用建模技術(shù)來精確地確定電機(jī)位置或速度，而非使用速度和/或位置傳感器。要控制 PM 無刷直流電機(jī)，位置和速度信息至關(guān)重要。在當(dāng)今許多系統(tǒng)中，傳感器都用于收集此數(shù)據(jù)，將此作為控制算法的輸入。但是，從規(guī)模、成本、維護(hù)和可靠性角度來看，這些傳感器并不具有吸引力。

對于某些應(yīng)用，傳感器絕對必要。例如，用于醫(yī)院呼吸機(jī)的氧氣泵需要足夠的精度來確保固定流速。使用自定義電機(jī)時，創(chuàng)建精確的模型可能會非常困難。對于非常低速的系統(tǒng)應(yīng)用，可能不存在足夠的反饋來支持無傳感器實(shí)施。

然而，對于許多應(yīng)用（包括白色家電）而言，這種精度并非必要，因此，可引入無傳感器控制以降低系統(tǒng)成本。例如，當(dāng)永磁同步電機(jī)處于使用狀態(tài)時，可使用名為滑模觀測器的動態(tài)模型替代傳感器，該觀測器的實(shí)施既強(qiáng)大又簡單。此外，可通過最壞情況下極低的速度誤差實(shí)現(xiàn)較高的功率效率。

消除傳感器的使用需要控制器模擬電機(jī)的狀態(tài)，這樣便能正確估算出相應(yīng)的位置/速度。為了保持足夠的模型精度，需要對電壓進(jìn)行精確的高頻監(jiān)控。對于這項(xiàng)工作，Piccolo MCU 提供了集成的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以為大多數(shù)應(yīng)用提供正確的精度水平。

對于不需要傳感器的應(yīng)用，Piccolo MCU 設(shè)計為支持正交編碼器和測速發(fā)電機(jī)。對于需要編碼器的應(yīng)用，Piccolo 器件包含集成的增強(qiáng)型正交編碼器脈沖 (QEP)，它可以自動將光編碼器脈沖轉(zhuǎn)換為速度和方向，同時僅使用兩個數(shù)字輸入和一個 16/32 位內(nèi)部定時器寄存器。 QEP 是 TI 致力于通過降低系統(tǒng)復(fù)雜性來加快開發(fā)速度的另一個例子。通過自動處理脈沖解碼并輸出位置和速度，QEP 讓開發(fā)人員免去了必須親自創(chuàng)建此代碼的過程，這樣，他們便能夠集中精力讓自己的應(yīng)用與眾不同。

Piccolo™ MCU 的 QEP 在下述方面特別具有多用途性：它幾乎可以連接任何正交編碼器，包括需要時鐘信號、生成自己的時鐘信號以及不使用時鐘的解碼器。不采用 QEP 的 MCU要求開發(fā)人員使用 GPIO 捕獲脈沖，然后在軟件進(jìn)行解碼，這種方式會使維持高頻控制環(huán)路的實(shí)時可靠性復(fù)雜化。

存在各種類型的測速發(fā)電機(jī)；一些提供與電機(jī)速度成比例的直流電壓。通過將某一Piccolo MCU 的 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入接口連接到測速發(fā)電機(jī)的輸出接口，可以輕松計算出這一速度。對于使用簡單霍爾效應(yīng)傳感器來輸出若干電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的低成本電機(jī)，軟件驅(qū)動器通常會測量脈沖頻率并跟蹤電機(jī)方向。

Piccolo MCU 可以使用其集成的增強(qiáng)型捕捉外設(shè) (eCAP) 簡化此軟件驅(qū)動器的設(shè)計。

eCAP 觸發(fā)霍爾效應(yīng)脈沖上升沿和下降沿的關(guān)閉，并自動計算脈沖間的寬度和周期。此

外，eCAP 在需要讀取之前能捕獲多達(dá)四個脈沖。

降低系統(tǒng)成本

理想的系統(tǒng)可以將模擬和數(shù)字技術(shù)整合在一起，并充分利用某一價格點(diǎn)的可用處理能力。

Piccolo MCU 架構(gòu)背后的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一，是在單芯片上集成的功能的數(shù)量。通過在數(shù)字域執(zhí)行任務(wù)，可以減少元件數(shù)。這直接降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性。不足之處是 MCU必須能夠具有成本效益地吸收增加的負(fù)荷。

在所有速度范圍上實(shí)現(xiàn)有效控制，使開發(fā)者設(shè)計的電源器件的容量能夠與應(yīng)用需求達(dá)到最佳匹配，從而提高功率和成本效益。這也能帶來更流暢的操作和更佳的性能，可減少影響工作壽命的轉(zhuǎn)矩脈動和振動等問題。

對于無傳感器應(yīng)用，可以顯著節(jié)省成本。不使用傳感器除了可以從系統(tǒng) BOM 中去除這些傳感器外，還可以省去安裝傳感器接口。不僅制造商的系統(tǒng)更加便宜，故障點(diǎn)也減少了。

自我監(jiān)測的價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出僅將以前的模擬功能遷移到數(shù)字化實(shí)施。多達(dá) 16 個 A/D 通道，外加可編程自動序列發(fā)生器，簡化了對整個系統(tǒng)中的不同電流、電壓和傳感器的監(jiān)測過程。用于增加電機(jī)精度和性能的數(shù)據(jù)也可以用來診斷潛在問題。例如，通過觀察機(jī)械振動的頻譜，系統(tǒng)在故障早期即可以識別、預(yù)測系統(tǒng)故障并采取行動。

無與倫比的開發(fā)平臺

功能強(qiáng)大的數(shù)字控制系統(tǒng)的創(chuàng)建工作變得空前簡單。 TI 的電機(jī)控制和 PFC 開發(fā)者套件以及雙電機(jī)控制和 PFC 開發(fā)者套件以 Piccolo MCU 為基礎(chǔ)為開發(fā)者提供一個可加快電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)和故障排除速度的平臺。這些直觀的套件甚至可以讓不熟悉 PFC 的開發(fā)者學(xué)會如何將 PFC 與所有類型的電機(jī)控制應(yīng)用整合在一起。

利用電機(jī)控制和 PFC 套件可以直接訪問 Piccolo™ 架構(gòu)的所有增強(qiáng)功能和特性。廣泛的軟件庫和詳盡的文檔可以指導(dǎo)開發(fā)者使用實(shí)時算法完成整個電機(jī)控制系統(tǒng)的創(chuàng)建工作。套件還使開發(fā)者能夠迅速確定實(shí)施基本電機(jī)控制所需的處理資源。以此為基準(zhǔn)，他們便能夠利用先進(jìn)的算法來使用剩余的處理容量，實(shí)現(xiàn)更高的精度、性能和功效以及多電機(jī)控制和大量其他選擇。通過這種方式，開發(fā)者可以根據(jù)具體應(yīng)用限制和要求設(shè)計出專門優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)。

C2000™ Piccolo MCU 具有廣泛的配置線路圖，可以確保開發(fā)者能夠找到在性能、內(nèi)存和外設(shè)方面最符合其應(yīng)用需要的處理器。 TI 還提供電壓和電流傳感所需的所有模擬組件以及范圍廣泛的標(biāo)準(zhǔn)和高端電機(jī)驅(qū)動器。

TI 了解開發(fā)者在設(shè)計高效益低功耗電機(jī)控制應(yīng)用時所面臨的挑戰(zhàn)。通過 Piccolo 系列MCU，TI 提供了無可比擬的高性能集成外設(shè)組合，使開發(fā)者能夠使用單個處理器實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)控制，并為精度控制算法、先進(jìn)的功效和無傳感器反饋留出足夠余量，同時還降低了系統(tǒng)成本。