高性?xún)r(jià)比電機驅動(dòng)器的能耗解決方案

計算應用的發(fā)展引起了人們對電子產(chǎn)業(yè)如何減少能耗的廣泛關(guān)注和討論。根據電力研究協(xié)會(huì )（EPRI）的研究，機械傳動(dòng)類(lèi)應用，包括電機驅動(dòng)、消費類(lèi)白色家電和工業(yè)用機器的能耗占全球電力消耗總量的50%以上，因此這一領(lǐng)域成為新的低能耗設計的首要目標。

除了能耗管理IC之外，這類(lèi)機械傳動(dòng)控制應用的解決之道在于采用MCU形式的智能芯片。MCU能夠以更高的效率、更低的成本進(jìn)行電機管理，加速從機電控制到電子控制的轉變過(guò)程，實(shí)現變速電機（VSM）的控制。

MCU控制的無(wú)刷直流（BLDC）電機相比傳統的直流電機具有更高的效率、很高的力矩-慣性比、較高的速度性能、較低的噪聲、較好的熱效率和較低的EMI指標。智能電機的效率可以超過(guò)95%，而感應式電機只有85%。而且，在很多應用中，相比恒速電機，MCU控制的可變速BLDC電機能夠節省25%～40%的能耗。

BLDC電機的能效

用于電機控制的高性?xún)r(jià)比MCU的出現也引起了傳統電機制造商和應用廠(chǎng)商的關(guān)注，促使他們重新比較和考慮VSM的一些特殊控制技術(shù)。利用傳統的標量控制方法實(shí)現VSM要求制造商增大電機的尺寸，以容納大的瞬態(tài)電壓或峰值電壓。

為了避免增大電機而帶來(lái)的成本，制造商開(kāi)始尋求采用磁場(chǎng)導向控制（FOC）（也稱(chēng)為矢量控制）技術(shù)來(lái)縮小電機的尺寸。FOC技術(shù)具有較好的動(dòng)態(tài)響應特性、較高的功率密度和較低的轉矩波動(dòng)，這些都有助于提高系統的效率。此外，FOC不需要位置傳感器，只需要一個(gè)分路電阻器，從而降低了制造成本，提高了可靠性。

磁場(chǎng)導向控制技術(shù)通過(guò)改變定子繞組中的電流，使電機中的定子磁場(chǎng)和轉子磁場(chǎng)保持90的角度。盡管我們已知系統中定子磁場(chǎng)的角度，但是還必須測量或估算出轉子磁場(chǎng)的角度，以便計算出二者之間的角度差。

當判斷出轉子磁場(chǎng)的角度之后，矢量控制算法就可以計算出向定子相位繞組上加載電壓的最佳時(shí)機和大小。由于這類(lèi)矢量控制算法都是數據密集型算法，因此目前常見(jiàn)的無(wú)傳感器FOC實(shí)現方案都采用了16位或32位的MCU、DSP或DSC處理器，用于處理復雜的三角函數方程。

此外，為了確保所需的精度，還需要在系統中內置查找表，這需要采用大容量的閃存和復雜的軟件算法，以處理電流計算、矢量旋轉、空間矢量調制和比例積分控制等方面的問(wèn)題。這些因素都會(huì )增大控制系統的成本。
新推出的8位微控制器在體系結構上進(jìn)行了特殊的增強配置，例如英飛凌技術(shù)公司的XC800系列就具備了實(shí)現更高性?xún)r(jià)比FOC系統所需的硬件功能（如圖1所示）。

圖1 內含專(zhuān)用模塊的低成本8位控制器提供了磁場(chǎng)導向電機控制所需的全部功能

低成本8位FOC解決方案

具有FOC功能的MCU內部集成了一個(gè)兼容8051的處理器內核和一個(gè)強大的片上處理單元――矢量計算器，該計算器能夠同時(shí)對矢量數據（一維陣列）執行多個(gè)計算操作（如圖2所示）。該矢量計算器由多個(gè)處理單元組成，包括一個(gè)坐標旋轉數字計算（CORDIC）單元和一個(gè)乘/除法運算單元，當與16位的采集/比較單元和快速片上A/D轉換器配合使用時(shí)，它能夠執行16位的數學(xué)運算。

圖2 一款具有FOC功能的MCU，內部集成了一個(gè)8051兼容內核和一個(gè)強大的能夠同時(shí)對矢量數據進(jìn)行多個(gè)計算操作的片上處理單元

該CORDIC內置了一個(gè)容量很小的查找表，利用加法、減法和移位操作能夠實(shí)現多種復雜數學(xué)函數和三角函數的迭代計算，例如Clarke和Park算法。CORDIC的輸出結果可達16位的精度，它的功能基本上與CPU核是相互獨立的，從而為其他控制任務(wù)節省了資源開(kāi)銷(xiāo)。

乘除法單元可以執行16位和32位的數學(xué)運算，可以用來(lái)代替標準的8051 MUL/DIV指令。要想進(jìn)一步縮小閃存容量，提高訪(fǎng)問(wèn)速度，我們還可以在自舉ROM中加入定點(diǎn)和浮點(diǎn)指令的數學(xué)運算庫。

如前所述，FOC算法的主要目標是確保定子的磁場(chǎng)與轉子內永磁體的磁場(chǎng)保持垂直的方向。它們的關(guān)系是通過(guò)一次分路電流的測量而估計出來(lái)的，這種測量需要用相應的PWM模式快速觸發(fā)A/D轉換器。在智能PWM單元CapCom6E和A/D轉換器之間，采用基于事件的硬件觸發(fā)器可以實(shí)現這一目標。這種基于事件的觸發(fā)器消除了中斷等待時(shí)間，實(shí)現了快速而精確的電流測量。

將片上運算單元和外設集成在一起實(shí)現FOC的方式為其他使用低成本8位MCU的系統控制功能節省了充分的資源。例如，在15kHz的PWM頻率和133μs的電流測量速度下，FOC控制功能僅僅占用了58%的CPU性能，為其他專(zhuān)用功能提供了很大的余量。與硬編碼FOC實(shí)現方式不同的是，集成了矢量計算器的MCU具有軟件可重編程能力。我們可以利用這一功能，通過(guò)構造一個(gè)程控斜面或者采用減弱磁場(chǎng)的方法（例如減弱FOC算法的ID組件），優(yōu)化電機的啟動(dòng)過(guò)程。

無(wú)傳感器FOC的評估

利用FOC驅動(dòng)應用工具包可以對基于8位MCU的無(wú)傳感器FOC進(jìn)行評估。該工具包包含一個(gè)集成了矢量計算器的MCU、三相功率轉換板、24V BLDC電機、插入式電源和全部完整的FOC源碼。

此外，通過(guò)CAN-USB橋可以下載十六進(jìn)制的代碼，這樣就可以在電機工作過(guò)程中修改電機速度、電流控制等電機參數，實(shí)現實(shí)時(shí)控制功能。英飛凌還為用戶(hù)提供了包含免費工具鏈在內的一整套開(kāi)發(fā)環(huán)境，幫助用戶(hù)利用同一個(gè)工具包實(shí)現下一階段的應用研發(fā)和定制。