飛思卡爾針對無(wú)傳感器雙電機控制推出100MHz 32位DSC

　　電機驅動(dòng)器是洗衣機、洗碗機、干衣機、冰箱、空調系統等家用電器的組成部分。近幾年對家電電機驅動(dòng)器的要求發(fā)生了很大的變化。推動(dòng)這些變化的因素包括安全和環(huán)境友好要求、性能要求，以及制造成本。其中一個(gè)關(guān)鍵要求是實(shí)現高效率，這決定了需要使用采用先進(jìn)的控制算法的高能效電機進(jìn)行電機控制和家電控制。性能要求涵蓋了可變的電機轉速操作，并要求具有高動(dòng)量和廣泛的轉速范圍。與簡(jiǎn)單的換相控制相比，低噪聲要求更傾向于正弦驅動(dòng)。單相異步電機和通用電機正在被三相電機（交流感應電機、無(wú)刷直流電機以及最主要的永磁同步電機（PMSM））取代，因為三相電機能夠滿(mǎn)足上述要求。通常需要對交流感應電機或永磁同步電機進(jìn)行矢量控制。矢量控制提供卓越的動(dòng)態(tài)性能，可以在低速情況下利用完整的電機轉矩功能，在廣泛的速率范圍內在每個(gè)工作點(diǎn)高效地控制電機，并能夠單獨控制電機轉矩和通量。最重要的是，對統一輸入功率因數的需求要求采用功率因數校正（PFC）電路。

　　電機驅動(dòng)器的技術(shù)解決方案通常接近技術(shù)極限，在很大程度上由成本推動(dòng)。電機的大小和材料成本進(jìn)行了優(yōu)化，通常會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性電機參數，會(huì )隨著(zhù)電機溫度和電流而變化。電子硬件盡可能保持簡(jiǎn)單；設計人員通常不會(huì )使用昂貴、精準的模擬元件，而實(shí)施專(zhuān)用軟件算法。位置或速度傳感器相當昂貴，因此開(kāi)發(fā)人員側重于實(shí)現無(wú)傳感器的操作，采用先進(jìn)的數學(xué)估算方法，根據外加電壓計算電機速度和位置，生成電流和電機參數。因此，電機控制不再是一種簡(jiǎn)單的算法，而成為一個(gè)復雜的系統，需要帶有專(zhuān)用外設的高性能微控制器和先進(jìn)的電機控制算法。

　　一些家電包含一個(gè)以上的電機。洗衣機就是一個(gè)例子，它有一個(gè)水泵和主驅動(dòng)器，空調則包括壓縮機和風(fēng)扇。過(guò)去，這些電機由單獨的電子電路驅動(dòng)。然而，為了實(shí)現最低的成本，出現了使用一個(gè)單一微控制器并行控制兩個(gè)電機的驅動(dòng)器，從而最大限度地減少昂貴電子元件的數量。

　　通過(guò)推出集高性能、專(zhuān)用外設和低成本于一身的專(zhuān)用微控制器，將能夠同時(shí)實(shí)現高效率、高性能和低廉的成本。飛思卡爾提供了完整的數字信號控制器（DSC）系列，能夠滿(mǎn)足先進(jìn)的電機控制應用的要求。DSC系列提供了用于數字電源轉換、電機控制以及其他需要高速率和高分辨率控制環(huán)路功能的應用的優(yōu)化解決方案。DSC系列結合了數字信號處理器（DSP）的處理能力和微控制器功能以及一組靈活的外設，實(shí)現了經(jīng)濟高效的解決方案。DSC系列最先推出基于16位56800E內核的32MHz MC56F80xx器件，主要針對復雜驅動(dòng)器，如針對泵、風(fēng)扇、壓縮機的無(wú)傳感器矢量控制；接著(zhù)推出了60MHz DSC，針對無(wú)傳感器洗衣機等要求苛刻的應用，最新推出的是基于32位56800EX內核的100MHz 56F84xx DSC，它專(zhuān)用于數字功率轉換和無(wú)傳感器雙電機控制。

　　100MHz 32位MC56F84xx是市場(chǎng)上速度最快的數字信號處理微控制器，提供卓越的精度、傳感和控制，用于最高效的數字功率電源轉換和先進(jìn)的電機控制應用。100MHz / 100MIPS 32位56800EX內核提供高級電源和電機控制應用所需的數學(xué)功能。單周期數學(xué)運算、分數運算支持和平行移動(dòng)提高了性能，推動(dòng)實(shí)現更緊湊、更快的控制環(huán)路。MC56F84xx包含專(zhuān)用于實(shí)時(shí)應用的先進(jìn)的高速、高精度外設。具有312微微秒分辨率的高分辨率脈寬調制（eFlexPWM）模塊支持更高的交換頻率，能夠降低成本，提高效率。另一個(gè)PWM模塊支持實(shí)施雙電機控制。兩個(gè)12位高速模數轉換器（ADC）提供高達300ns/3.33Msps的采樣頻率，減少了輸入值的抖動(dòng)，從而提高了系統的準確性。具有內置溫度傳感器和帶隙的16位SAR ADC用于一般的應用測量。4個(gè)模擬比較器具有集成的6位數模轉換器（DAC），可加快系統事件識別，能夠在緊急情況下停止PWM輸出。多功能定時(shí)器允許單獨定時(shí)和生成PWM信號，可編程延遲模塊（PDB）用于實(shí)現與PWM脈沖同步的硬件ADC觸發(fā)，最終實(shí)現電機電流重建。正交解碼器模塊對常用于工業(yè)電機控制驅動(dòng)器的正交編碼器位置信號進(jìn)行解碼。64KB到288KB的閃存提供了主要數字功率和電機控制應用所需的可擴展性。直接存儲器存?。―MA）控制器減少了內核中斷，提高了性能。飛思卡爾FlexMemory EEPROM提供了一個(gè)高速暫存存儲器（scratch pad），用于存儲校準和停機值。內存保護功能能夠限制用戶(hù)代碼訪(fǎng)問(wèn)重要的內存位置和為監控人員預留的外設，從而提高了系統安全性。5V容錯I/O提供了設計靈活性和系統成本節省。包括QSCI、QSPI、I2C/SMBus和FlexCAN在內的豐富的通信外設允許與主從系統進(jìn)行各種連接。模塊間交叉開(kāi)關(guān)是一種獨特的外設，提供片上外設之間的通用連接：這些外設包括ADC、12位DAC、比較器、QuadTimers、eFlexPWM、PDB、EWM、正交解碼器、特定I/O引腳。


圖1  MC56F84xx框圖

　　具有功率因數校正的無(wú)傳感器雙正弦矢量控制是56F84xx的目標應用之一。該應用常見(jiàn)于洗衣機中，洗衣機有一個(gè)DSC控制泵和主驅動(dòng)器，或者也常見(jiàn)于室外空調，其中有一個(gè)DSC控制風(fēng)扇和壓縮機。

　　此類(lèi)系統的應用需求如下所示：

　　•對永磁同步電機進(jìn)行雙重控制
　　•同時(shí)對兩個(gè)電機進(jìn)行正弦矢量控制（也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制-FOC）
　　•無(wú)傳感器電機位置估算
　　•高啟動(dòng)轉矩，寬轉速范圍
　　•8-16kHz的PWM頻率
　　•使用分流電阻的三相電流傳感（在某些情況下，可首選直流總線(xiàn)上的單一分流傳感），直流總線(xiàn)電壓傳感
　　•輸入功率因數校正（取決于地區和總功率）
　　•硬件和軟件故障保護
　　•與主從系統的連接
　　•滿(mǎn)足IEC60730電器安全標準

　　該解決方案的概念如圖2所示。一個(gè)單一的DSC控制整個(gè)系統–兩個(gè)電機、PFC，提供了連接，還提供了電器自身的應用控制。電源硬件包括共用直流總線(xiàn)電路的兩個(gè)逆變器、PFC電子元件、電流和電壓傳感以及輔助電源。


圖2  由MC56F84xx驅動(dòng)的PFC的雙電機控制

　　如上所述，在目前的電器中，高級電機控制算法通?；谑噶靠刂萍夹g(shù)-參見(jiàn)圖3。使用矢量控制算法，交流感應電機和PM同步電機的控制流程類(lèi)似于單獨使用的直流電機的控制。在特殊的參考坐標系中，定子電流可以分為由轉矩生成的電流和由磁場(chǎng)生成的電流。這些電流通過(guò)直流值表示，可以單獨進(jìn)行控制。

　　矢量控制算法要求使用高速ADC測量三相電流。電流測量必須與PWM脈沖中心同步，以避免轉換噪聲，并得到一個(gè)有意義的平均電流值。通常情況下，兩相電流將同時(shí)進(jìn)行測量，第三相電流通過(guò)計算得出。因此，DSC能夠一次對兩個(gè)電流進(jìn)行采樣，與PWM保持同步。三相電流被轉換為循環(huán)的d/q坐標，其中可以單獨控制轉矩生成的電流和磁通生成的電流?？刂葡到y包括兩個(gè)電流控制環(huán)路-一個(gè)用于轉矩（由q控制器表示），另一個(gè)用于磁場(chǎng)-磁通（由d控制器表示）。根據這些控制器的結果，使用空間矢量調制技術(shù)計算出輸出電壓矢量，并生成對應的逆變器的補充PWM信號。如果電機速度超出了額定值，則必須包括一種特殊算法，能夠支持在磁場(chǎng)削弱區域運行。即便如此，一些電機仍然具有強大的磁阻轉矩。為了使用這個(gè)磁阻轉矩并構建盡可能?。ㄇ冶阋耍┑碾姍C，開(kāi)發(fā)人員實(shí)施一種稱(chēng)為最大轉矩電流比控制（MTPA）的特殊算法，該算法可充分利用磁阻轉矩。MPTA還提高了效率。單獨和獨立控制由轉矩和磁通生成的電流將實(shí)現高度動(dòng)態(tài)的運行（可實(shí)現非常低的速度）和良好的控制。

　　要實(shí)現適當的功能，矢量控制算法需要提供位置和速度信息。在工業(yè)驅動(dòng)器中，該信息通常從機械位置/速度傳感器獲得，例如編碼器、解析器、SinCos甚至位置霍爾傳感器。對于目前的大多數電器驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，機械傳感器過(guò)于昂貴。在某些情況下，由于泵或壓縮機內的機械限制，甚至很難使用傳感器。因此，電機位置和速度必須通過(guò)先進(jìn)的無(wú)傳感器算法計算得出。對于永磁同步電機的無(wú)傳感器位置計算，最有用的算法是基于電機的反電勢（Back-EMF）數學(xué)模型的計算。反電勢數學(xué)模型需要相應的電機參數、外加電壓和電機電流。在運行時(shí)，DSC將解析方程組，運行數字濾波器和估算器，并計算正確運行矢量控制算法所需的位置和速度。由于該模型基于電機反電勢電壓，而這種電壓在速度為零時(shí)會(huì )消失，顯然，該方法在速度為零或低速情況下無(wú)法提供位置和速度信息。因此，該方法需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)算法-在通常情況下，是帶有某種轉矩和電流限制的開(kāi)環(huán)啟動(dòng)。

　　所有這些算法的計算都需要處理器提供較高的計算能力。要求最苛刻的是矢量控制算法的快速控制環(huán)路，其中包括相位電流重建、電流轉換成旋轉坐標計算、電流控制器、空間矢量調制以及帶有位置和速度估算器和過(guò)濾器的全反電勢觀(guān)測儀?？焖倏刂骗h(huán)路的計算必須與PWM頻率同步，通常在每個(gè)PWM脈沖上運行-對于8-16kHz PWM是63-125微秒的周期。


圖3  永磁同步電機的無(wú)傳感器矢量控制

　　雙電機控制需要并行計算兩個(gè)矢量控制算法。通常情況下，這兩個(gè)電機共享一個(gè)逆變器直流總線(xiàn)電路。為了減少直流總線(xiàn)電容的電流應力，并實(shí)現最小的直流總線(xiàn)電壓紋波，這兩個(gè)電機的PWM脈沖每經(jīng)過(guò)半個(gè)PWM周期就互相進(jìn)行轉換。這種PWM轉換允許實(shí)現交替的ADC采樣，因此兩個(gè)ADC轉換器便足夠了。然后，每個(gè)電機的無(wú)傳感器矢量控制算法的快速環(huán)路計算也可以交替進(jìn)行。

　　作為一種可選方法，也可能需要用到功率因數校正（PFC）。根據性能要求、輸出功率和負載條件，可以實(shí)現若干種PFC技術(shù)。對于雙電機運行常見(jiàn)的高功率，通常使用在連續傳導模式下運行的交錯式PFC。交錯式PFC包括兩個(gè)MOSFET電源開(kāi)關(guān)和兩個(gè)PFC感應器。微控制器感應輸入電流并控制電源開(kāi)關(guān)，以保持輸入電流為正弦并與電網(wǎng)同步。PFC的典型PWM頻率范圍是50-100kHz。

　　先進(jìn)的電機控制算法需要專(zhuān)用的外設功能和微控制器的CPU性能，以便同時(shí)管理兩個(gè)電機和PFC。除了這些任務(wù)外，微控制器應提供至少50%的計算時(shí)間用于執行與其他應用有關(guān)的任務(wù)。飛思卡爾MC56F84xx能夠滿(mǎn)足各方面的應用要求，是此類(lèi)高級應用的理想選擇。

　　要實(shí)現成功的應用開(kāi)發(fā)，非常重要的一點(diǎn)是具備DSC生態(tài)系統，使開(kāi)發(fā)人員能夠在合理的時(shí)間內設計出復雜的驅動(dòng)器。除了編譯器、調試器、專(zhuān)門(mén)的應用說(shuō)明和參考設計等標準工具外，飛思卡爾還提供了兩個(gè)能夠立即引起開(kāi)發(fā)人員興趣的工具，即FreeMASTER實(shí)時(shí)調試器和嵌入式軟件庫（Embedded Software Libraries）。

　　FreeMASTER是用戶(hù)友好的實(shí)時(shí)調試、監控和數據可視化工具。電機控制應用代表一種實(shí)時(shí)的嵌入式應用，具有許多系統變量和控制參數。需要實(shí)時(shí)觀(guān)察和評估這些參數及變量，從而以最佳的方式確定、建立和調整控制算法。過(guò)去，開(kāi)發(fā)人員使用代碼調試器和示波器來(lái)開(kāi)發(fā)電機控制應用。這種傳統型開(kāi)發(fā)非常費力。調試器通常不允許在運行時(shí)查看和更改應用變量，需要停止目標處理器才能訪(fǎng)問(wèn)這些變量。這種方法不適用于電機控制應用，開(kāi)發(fā)人員不能關(guān)斷電機來(lái)訪(fǎng)問(wèn)處理器的內存，然后再次運行電機。使用示波器的限制因素是驅動(dòng)器的實(shí)際信號通常與處理器測量的信號不同。測量的信號會(huì )受到所使用的傳感電路、測量噪聲以及模數轉換器的偏移和增益誤差等因素的影響。信號過(guò)濾會(huì )影響測量精度。使用示波器查看內部變量也受到很大的限制。

　　FreeMASTER實(shí)時(shí)調試器旨在簡(jiǎn)化電機控制應用的開(kāi)發(fā)。FreeMASTER支持以完全非侵入式的方式監視嵌入式系統上運行的變量。嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員可以在類(lèi)似于示波器的顯示器上顯示隨時(shí)間變化的多個(gè)應用變量，或以文本形式查看數據。用戶(hù)還可以從PC主機上控制在目標系統上運行的嵌入式應用?；贖TML的數據可視化區域具有高度可擴展性。在控制窗口中，用戶(hù)可以提供基于A(yíng)ctive-X的儀表、刻度盤(pán)、旋鈕和滑動(dòng)塊，以根據需要創(chuàng )建復雜或精美的自定義儀表盤(pán)。


圖4  FreeMASTER實(shí)時(shí)調試、監測和數據可視化工具

　　飛思卡爾嵌入式軟件庫（FSLESL）是一個(gè)廣泛的算法集，專(zhuān)門(mén)針對高級電機控制應用的開(kāi)發(fā)。通用功能庫（GFLIB）融合了數學(xué)、三角函數、查找表和控制功能。這些軟件模塊是基本的構建單元。電機控制庫（MCLIB）涵蓋了矢量調制、轉換和用于構建數字控制電機驅動(dòng)器的特定的電機相關(guān)功能。通用數字過(guò)濾庫（GDFLIB）提供了過(guò)濾功能，可以實(shí)現信號調整。高級控制庫（ACLIB）涵蓋了實(shí)現永磁同步電機無(wú)傳感器控制的主要功能。

　　飛思卡爾嵌入式軟件庫算法進(jìn)行了高度優(yōu)化，使用數十萬(wàn)個(gè)測試矢量進(jìn)行了測試，并且提供了良好的文檔記錄。它們使用可通過(guò)C語(yǔ)言調用的函數接口實(shí)現，因此十分易于使用。這些庫目前可供56800E/EX、ColdFireV1、CortexM4和Power Architecture平臺使用。這些算法大大加快了只需創(chuàng )建簡(jiǎn)單應用的初學(xué)者的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也加快了需要處理復雜的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統的專(zhuān)業(yè)人員的開(kāi)發(fā)，這類(lèi)系統包括電機控制、電源轉換及其他實(shí)時(shí)嵌入式應用。

　　總之，由高級無(wú)傳感器算法控制的三相電機將越來(lái)越多地用于各種驅動(dòng)器，包括家用電器。飛思卡爾提供了一套完整的專(zhuān)用數字信號控制器、豐富的工具鏈和必要的技術(shù)知識，支持在應用中實(shí)現這些復雜的控制算法，并快速、高效地實(shí)現所需的性能。