電機控制器：軟硬兼施才能有的放矢

　　無(wú)論是工業(yè)、家庭還是商業(yè)用電，電機是耗能的“第一大戶(hù)”，提升其運行效率是節能的不二之選。IEA(國際能源機構)曾指出，電機功耗占全球總能耗的45%，提高電機驅動(dòng)系統的效率將使全球電力消耗降低9%～14%。在能源短缺及環(huán)保要求雙重壓力下，更高的能效、更出色的動(dòng)態(tài)性能和更低的運行噪聲已成為電機驅動(dòng)的重要設計要求。

　　2010年～2015年全球主要家用電器的出貨量增長(cháng)32%，而PMSM/BLDC馬達的采用比例也將增長(cháng)1倍。

　　三相無(wú)刷電機需全新解決方案

　　BLDC需要新的解決方案提供模塊化的先進(jìn)馬達控制軟件庫，最大限度減少軟件設計工作。

　　在交流電機、直流電機兩類(lèi)電機中，直流電機取代交流電機已是趨勢使然。直流電機又分為直流有刷及無(wú)刷電機，直流無(wú)刷電機中的三相無(wú)刷直流(BLDC)電機和永磁異步電機(PMSM)因為體積更小、可靠性更高、運行效率更高，更加契合環(huán)保需求。德州儀器(TI)的MCU業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻就表示，為了實(shí)現高可靠性、低成本和高效率，業(yè)界正從有刷向三相無(wú)刷電機邁進(jìn)。

　　飛兆半導體公司BLDC產(chǎn)品線(xiàn)市場(chǎng)經(jīng)理簡(jiǎn)文烯也介紹說(shuō)，AC(交流)馬達轉向BLDC馬達的趨勢越來(lái)越明顯，據預計，2010年～2015年全球主要家用電器的出貨量增長(cháng)32%，而PMSM/BLDC馬達的采用比例也將增長(cháng)一倍，因為其在體積、效率、轉速控制、壽命等方面都更出色。

　　此外，在BLDC類(lèi)型中也呈現由有傳感器向無(wú)傳感器轉型的趨勢。吳健鴻表示，如在傳統磁場(chǎng)定向控制(FOC)電機設計中，采用轉子傳感器既會(huì )增加成本，還可能會(huì )降低可靠性，從而對系統造成不利影響。此外，在某些特定應用如封閉式壓縮機或大型牽引設備等應用中采用傳感器也是不可行的。

　　雖然業(yè)界一致看好BLDC，但采用BLDC馬達也面臨多重挑戰，如需要更高級、更復雜的電機控制算法，以及更少的開(kāi)發(fā)成本和更快的開(kāi)發(fā)效率等。“因而需要新的解決方案提供模塊化的先進(jìn)馬達控制軟件庫，最大限度減少軟件設計工作(但仍提供可編程的系統控制和通信接口)等。”簡(jiǎn)文烯表示。吳健鴻也指出，無(wú)傳感器FOC電機技術(shù)雖可帶來(lái)許多系統優(yōu)勢，但許多行業(yè)都因缺乏電機控制系統知識而不得不延遲采用和推廣這些技術(shù)。

　　MCU主角配角兩相宜

　　電機控制器的走向已呈現分化的趨勢，而MCU扮演的角色也 “主”“次”有別。

　　對于無(wú)刷直流電機而言，先進(jìn)的FOC方案被廣泛采用，而這需要優(yōu)化的MCU和易用軟件。雖然電機控制器廠(chǎng)商一致認識到電機的商機和未來(lái)走向，但沿襲以往的經(jīng)驗以及差異化的考量，電機控制器的走向已呈現分化的趨勢，而MCU扮演的角色也“主”“次”有別。

　　飛兆最新開(kāi)發(fā)的集成式電機控制器FCM8531讓MCU成為一個(gè)“配角”。簡(jiǎn)文烯介紹，FCM8531的核心是單芯片上集成嵌入式MCU(MCS51)和先進(jìn)馬達控制器(AMC)，并通過(guò)MSFR實(shí)現雙方數據交換與存儲。其優(yōu)勢在于通過(guò)使用預先配置和存儲在A(yíng)MC中的軟件庫，AMC可以執行FOC和DQ控制等強大算法，MCU僅需要簡(jiǎn)單的系統控制軟件編程，從而實(shí)現了最少的軟件控制。AMC和MCU均獨立工作，可避免系統中斷。同時(shí)，AMC能實(shí)時(shí)逐周期電流保護檢測PWM信號，并且可在微秒內關(guān)斷OWM信號以防止系統損壞。“此前飛兆的相關(guān)馬達控制芯片產(chǎn)品FCM8201/ 8202有MCU接口，而新的FCM8531正是基于此基礎之上，把MCU直接集成到單一芯片之中。”簡(jiǎn)文烯表示。

　　這一設計使得MCU的功能“簡(jiǎn)化”為馬達控制的可配置性選項，比如通信、管理速度控制面板、遙控裝置等。“雖然其他廠(chǎng)商推出的MCU是以32位為主，但飛兆從應用角度出發(fā)，認為MCU的作用是擴展可配置性和實(shí)現差異化，因此采用8位8051核。一般電機MCU單元需要工程師具備軟件撰寫(xiě)的能力，飛兆的方案則降低了開(kāi)發(fā)技術(shù)門(mén)檻，并可大幅縮短開(kāi)發(fā)周期。”簡(jiǎn)文烯說(shuō)。簡(jiǎn)文烯還表示，以后會(huì )在控制器中集成更多的AMC，通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)控制不同步工作的電機。

　　飛兆有些劍走偏峰的意味，而英飛凌卻是致力于讓基于32位ARM核的MCU作更多的功能集成，以“主角”的身份實(shí)現有的放矢的電機控制。英飛凌最新推出基于A(yíng)RM　M0核的XMC1000系列微控制器XMC1300就針對電機控制做了很多優(yōu)化，并以“32位功能、8位價(jià)格”的高性?xún)r(jià)比來(lái)打開(kāi)市場(chǎng)之門(mén)。英飛凌科技股份有限公司工業(yè)與多元化市場(chǎng)微控制器部門(mén)高級總監Stephan Zizala表示，XMC1300集成了一個(gè)功能強大的捕獲/比較單元CCU8和位置接口單元，支持精確的電機位置檢測;同時(shí)集成協(xié)處理器CORDIC，可進(jìn)行矢量旋轉和硬件除法計算，支持無(wú)傳感器FOC解決方案，從而提高電機運行效率，這是其他基于Cortex-M0的單片機產(chǎn)品所沒(méi)有的。此外，XMC1300還包含適用于精確測量和PWM硬件同步化的高速12位模數轉換器、3個(gè)模擬快速比較器以及霍爾傳感器和正交編碼器接口等先進(jìn)外設，以實(shí)現更高效的電機控制。

　　軟件主攻靈活性

　　目前電機功能其實(shí)已經(jīng)足夠，客戶(hù)更關(guān)注價(jià)格和解決方案對細分市場(chǎng)的適應度。

　　不管硬件形式有多少差別，軟件算法是電機控制中的“靈魂”，沒(méi)有高效的軟件，硬件也就成為“無(wú)源之水”。

　　德州儀器最新支持InstaSPIN-FOC的32位C2000微控制器Piccolo F2806x，最具革新性的就是嵌入在MCU只讀存儲器(ROM)中的FAST軟件編碼器。有它可替代過(guò)去的電機傳感器或軟件觀(guān)察器，對各種使用條件下的通量、角度、速度和轉矩進(jìn)行可靠、穩健估算。吳健鴻表示，以前TI用的是SMO算法，實(shí)現FOC需要花費較長(cháng)時(shí)間尋找馬達參數，FAST則可直接調用。設計人員可在5分鐘乃至更短的時(shí)間內識別、調節并實(shí)現控制，不但可簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，而且還可提高所有可變速度及負載電機應用中的電機效率、性能與可靠性，客戶(hù)更可集中精力進(jìn)行差異化設計。

　　而英飛凌XMC1000系列采用與去年發(fā)布的高端XMC4000系列完全相同的免費集成式開(kāi)發(fā)平臺DAVE，還可利用DAVE Apps進(jìn)行模塊化編程。工程師可通過(guò)圖形用戶(hù)界面進(jìn)行DAVE Apps的選擇、配置和組合，根據單片機資源自動(dòng)進(jìn)行資源分配，并支持自動(dòng)生成C代碼和軟件文檔。“比如在電機控制的APP應用中，既有針對應用的，也有基于外設的，設計人員只需把所用電機的參數和需求等信息輸入即可。當然，也可自寫(xiě)程序。”Stephan Zizala表示，“截至2月底，已有20個(gè)XMC1000 DAVE Apps發(fā)布，預計全年可達150個(gè)。”

　　為適應不同的馬達設計，飛兆的AMC也配置了不同的軟件庫，現有速度積分、滑動(dòng)模式、霍爾接口等，可實(shí)現FOC、正弦波控制等。簡(jiǎn)文烯表示，飛兆提供的三個(gè)庫涵蓋80%的馬達應用，針對20%的特殊應用軟件也會(huì )在今后添加。

　　無(wú)論如何“軟硬兼施”，最重要的是客戶(hù)認可度。華中科大某位教授就說(shuō)，目前電機客戶(hù)覺(jué)得功能其實(shí)足夠，他們更關(guān)注價(jià)格和解決方案對細分市場(chǎng)的適應度。