電機控制的技術(shù)趨勢及開(kāi)發(fā)挑戰

1   電機控制的三大趨勢解析

在電機控制領(lǐng)域有三大主要趨勢，它們呈現出并駕齊驅的態(tài)勢。這三大趨勢分別是：提高能效（綠色倡議）、完善功能安全（最早適用于家電應用，現在應用范圍已擴大），當然還有一直以來(lái)的降低成本趨勢。無(wú)論對消費者、Microchip 還是整個(gè)世界而言，這三大趨勢都極為有利。

據估計，電機控制所消耗的電力約占全球電力產(chǎn)能的三分之一。隨著(zhù)能源成本的不斷增加，電機控制自然而然成為了提高效率的目標。這就促使應用從BDC 演變?yōu)锽LDC 再到PMSM，最終發(fā)展至IPM 電機，以便在消費品、工業(yè)和數據中心應用中實(shí)現更高的能效。甚至在汽車(chē)領(lǐng)域，提升燃油效率或延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)（EV）一次完全充電的行駛距離，這樣的趨勢，也在推動(dòng)從低成本BDC 到高效BLDC 電機的轉變。

當然，這也意味著(zhù)控制算法必須改變才能保持同步。作為BLDC 電機的簡(jiǎn)單六步換相或交流感應電機（ACIM）的伏特/ 赫茲算法的替代，您需要使用磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法來(lái)運轉這些電機，這種算法可優(yōu)化電機的轉矩輸出，從而最大限度地提高能效。

現在，即便使用標準FOC 算法也不足以滿(mǎn)足要求。例如，有一種適用于FOC 的附加算法，可最大程度提高每安培的轉矩（MTPA）。這種算法用于IPM 電機。FOC 中加入了另一項功能，稱(chēng)為零速/ 最大轉矩（ZS/MT），可在啟動(dòng)或低速狀態(tài)時(shí)最大程度提高電機轉矩。它有助于從霍爾傳感器轉向FOC。幸運的是，Microchip 的電機控制應用工程師們擅長(cháng)幫助客戶(hù)在應用中實(shí)現此類(lèi)高級FOC 解決方案。

功能安全這一趨勢始于家用電器，但在大約10 年前，隨著(zhù)ADAS應用的開(kāi)發(fā)，汽車(chē)領(lǐng)域也開(kāi)始重視功能安全，很快醫療應用也對安全性提出了很高要求。家電和工業(yè)應用均需符合IEC 60730 B 類(lèi)設備的要求。在汽車(chē)領(lǐng)域，該規范稱(chēng)為ISO 26262 ASIL B、C或D。而對于醫療應用，則適用于IEC 61508 SIL 2/SIL 3 規范。

這些功能安全規范在不斷發(fā)展演變。他們在開(kāi)始時(shí)需要利用軟件診斷程序或硬件電路來(lái)發(fā)現可能造成人身傷害的故障?，F在，他們將安全性貫穿于整個(gè)設計過(guò)程（甚至包括公司的組織形式），以此來(lái)控制電氣元件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，為這一流程提供支持。Microchip 現在根據此ISO 流程設計出新的電機控制芯片，并向客戶(hù)提供功能安全診斷庫和用戶(hù)指南等附加產(chǎn)品，幫助他們實(shí)現安全合規性。

降低成本是第三大趨勢，它既沒(méi)有開(kāi)始，也不會(huì )結束?？蛻?hù)希望有能夠以最低價(jià)格滿(mǎn)足其需求的選擇，而制造商理所當然地希望將其利潤最大化。像Microchip這樣的半導體制造商，其最終目標是推動(dòng)技術(shù)幾何結構逐漸變小，增加每個(gè)硅晶圓上的管芯數量，從而在競爭中取勝。

這必然是一個(gè)艱難的過(guò)程，但也有很多好處。采用的技術(shù)越新，制作出的新芯片的性能水平就越高，閃存程序存儲器和數據SRAM 存儲器就越大，數字和模擬外設的功能也更強，這不僅完善了電機控制本身，同時(shí)還提高了整個(gè)應用的功能性。憑借新的特性和功能、更高的運行效率和更強的功能安全性以及比以往更低的價(jià)格，助力客戶(hù)取得成功。

Microchip 16位單片機業(yè)務(wù)部 資深戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Patrick Heath

2   工程師在開(kāi)發(fā)中遇到的困難

電機控制應用開(kāi)發(fā)的主要困難之一是需要一個(gè)設計出色的電機控制開(kāi)發(fā)板。它必須能夠處理電機產(chǎn)生的電壓和電流，并且鍍銅層要足以吸收由MOSFET 在高頻（通常為20 kHz）下開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的熱。既不能將其用金屬線(xiàn)纏繞，也不能接到電路試驗板上。

幾年前，我去拜訪(fǎng)了一家客戶(hù)，他們當時(shí)正嘗試對低電壓電子換相風(fēng)扇電機應用進(jìn)行調試。他們可以啟動(dòng)電機和風(fēng)扇，但運轉幾秒后就會(huì )停轉。他們連上了調試器，試圖找出發(fā)生的問(wèn)題。他們發(fā)現，我們的dsPIC^?電機控制DSC 上的CPU 由于在客戶(hù)代碼中的隨機位置執行了非法指令而停止。他們希望我能幫助找出電機控制芯片出了什么問(wèn)題。

我到達時(shí)，本打算去一個(gè)實(shí)驗室，但卻被帶到一間普通的會(huì )議室，他們在那里運行電機。令我驚訝的是，他們沒(méi)有使用PCB（印制板），而是將dsPIC 電機控制DSC 和逆變器組件安裝到了電路試驗板上，并在周?chē)紳M(mǎn)了跳線(xiàn)來(lái)連接電路。

由于未使用具有合適接地層的真正PCB，電機產(chǎn)生的電氣噪聲被耦合到了電機控制器芯片中，導致數據遭到破壞，而這一錯誤被非法指令異常陷阱所捕獲。工程師們認為，調試電路后再進(jìn)行布線(xiàn)及生產(chǎn)PCB 可以節省時(shí)間。

電機控制和數字電源應用也可能比其他類(lèi)型的嵌入式控制更加危險。當然，這取決于您執行的電機控制類(lèi)型。如果只是用于消費類(lèi)玩具或汽車(chē)應用的簡(jiǎn)單低電壓BDC 電機，那么它在開(kāi)路控制中旋轉并不困難，也沒(méi)有足夠的功率消耗從而造成麻煩。

但是，我們所看到的大多數客戶(hù)應用都是針對三相BLDC 或PMSM 電機控制。這些可以是用于汽車(chē)的低電壓12 V 電機。商業(yè)應用通常使用更高的電壓，例如用于鉆頭或其他電動(dòng)工具的電壓為18 V，而工業(yè)機械和泵則通常使用24 V 電壓。我們還曾將96 V 電機用于踏板車(chē)。

您還需要考慮這些電機可能消耗的電流。它們的電流可以低至幾安培，但也可以高很多。例如，電鉆可以在不到1 s 的時(shí)間內從電池組中消耗100 A 的電流。即便我們以一個(gè)較小的電流為例，比如10 A。在12 V 電機上，這相當于120 W的標稱(chēng)功率，并且可能高出很多！

在電機控制中有這樣一種情況，電機正在快速旋轉，而您決定快速使其減速。有時(shí)將這種情況稱(chēng)為四象限控制。這種情況下，會(huì )產(chǎn)生大量能量，流過(guò)逆變電路的高電流導致電壓為正常電壓的兩倍，而您知道此電路無(wú)法處理如此大的功率。您會(huì )發(fā)現MOSFET 可能會(huì )變成煙花，然而這可不是應該興奮的事情，并且您肯定不希望在發(fā)生這種情況時(shí)站得離電路板太近。

Microchip 了解客戶(hù)希望從開(kāi)發(fā)階段快速轉入產(chǎn)品上市階段。對于尚未自行制作硬件的客戶(hù)，我們提供標準的低電壓和高電壓開(kāi)發(fā)板，用于三相電機控制。我們甚至轉售適合開(kāi)發(fā)板的庫存演示電機?？蛻?hù)可以先使用我們的免費應用筆記軟件，或使用我們的motorBench^?開(kāi)發(fā)套件FOC 圖形用戶(hù)界面（GUI）生成軟件，獲得現成的工作解決方案，使他們在數分鐘內安全地使電機旋轉。不會(huì )出現煙花或非法操作代碼陷阱！

3   Microchip的解決方案

在Microchip，我們專(zhuān)注于簡(jiǎn)化客戶(hù)的電機控制開(kāi)發(fā)流程。讓客戶(hù)能夠更快速、更輕松地使電機旋轉，從而有更多時(shí)間專(zhuān)注于他們的應用需求，并且能縮短整個(gè)開(kāi)發(fā)周期。為客戶(hù)提供原型設計所用的電機控制開(kāi)發(fā)板只是該流程的一半。另一半是軟件開(kāi)發(fā)。

過(guò)去，為了讓客戶(hù)啟動(dòng)電機控制項目，我們?yōu)樗麄兲峁┝擞糜诳刂扑惴ǖ膽霉P記和演示代碼，該算法在dsPIC33 電機控制器以及使用我們的一臺庫存演示電機的一個(gè)電機控制開(kāi)發(fā)板上運行。對于相對簡(jiǎn)單的控制算法，例如6 步換相、無(wú)傳感器BEMF 甚至是帶滑模觀(guān)測器（SMO）的簡(jiǎn)化FOC，這種方法十分有效。利用這些算法，只需調整新電機和負載的少量調節參數，而借助調節指南，我們可以輕松指導工程師完成整個(gè)過(guò)程。

客戶(hù)通?？梢栽诙潭處讉€(gè)小時(shí)內使電機旋轉起來(lái)，這樣便有時(shí)間關(guān)注應用需求。

目前，我們的大多數dsPIC33 電機控制客戶(hù)都希望在使用PLL 估算器運行FOC 的同時(shí)，還能運行其他幾種算法。這包括：?jiǎn)?dòng)時(shí)檢測轉子位置的初始位置檢測（IPD）軟件、可最大程度提高電機轉速的弱磁（FW）算法、用于最大程度提高電機轉矩輸出的每安培最大轉矩（MTPA）、用于支持較低電機轉速的死區時(shí)間補償（DTC）算法、用于減少母線(xiàn)電容量（以節省成本）的過(guò)調制（OM）算法、可平穩啟動(dòng)自由旋轉電機的風(fēng)車(chē)（WM）算法，以及能使電機安全地快速降速和停止的主動(dòng)制動(dòng)（AB）?？蛻?hù)通常希望能混合使用這些附加算法并將部分組合與其主要FOC 算法相匹配。此外，這些附加算法還有各種選項可供選擇。這極大地提高了解決方案的復雜程度，遠遠超出了獨立演示代碼項目及調節指南所能涵蓋的范圍。

Microchip 的dsPIC33 電機控制團隊幾年前就已開(kāi)始著(zhù)手解決這一問(wèn)題。他們創(chuàng )造出一個(gè)FOC 軟件工具，這款名為motorBench^? 開(kāi)發(fā)套件的GUI，與稱(chēng)作電機控制應用框架（MCAF）的軟件框架協(xié)同工作，可針對特定電機生成FOC 代碼。用戶(hù)可利用motorBench 工具配置主要FOC 算法的工作方式。例如，您可以選擇使用PLL 或角度跟蹤PLL（AT-PLL）估算器，或者使用外部增量（光學(xué)）編碼器來(lái)提供轉子位置反饋?？梢赃x擇和配置三種不同的電機啟動(dòng)算法選項。此外，還可以選擇和配置附加算法的選項。

每個(gè)電機都具有獨特的電氣特性！這意味著(zhù)必須為每個(gè)電機和負載定制FOC 參數。為此，motorBench 工具首先執行一個(gè)我們稱(chēng)之為自調試（SC）的過(guò)程。此過(guò)程可以測量電機的幾個(gè)關(guān)鍵電氣參數，例如定子電阻（Rs）、轉矩（Ld）和磁通量（Lq）的電感以及電機的反電動(dòng)勢（BEMF）。還可以在電機有負載的情況下測量一些機械參數，包括靜摩擦轉矩、轉子慣性和黏性阻尼。

收集有關(guān)電機和負載的信息之后，motorBench 工具可以轉至下一步，繼續運行電機及調節三個(gè)比例積分（PI）控制回路（FOC 的基本構成要素）：轉速、Id（轉矩）和Iq（磁通量）。這三個(gè)PI 回路的參數會(huì )自動(dòng)調節，但用戶(hù)也可以使用motorBench 開(kāi)發(fā)套件手動(dòng)調整系數，以調節控制回路的帶寬，使之更適合其應用。

完成調節后，MCAF 會(huì )生成代碼，代碼會(huì )放置到項目文件中，隨后可將這些代碼下載并燒寫(xiě)到dsPIC^?數字信號控制器（DSC）上的閃存程序存儲器中，使電機旋轉。整個(gè)過(guò)程需要大約5 到10 分鐘完成。如果不使用motorBench 工具，整個(gè)過(guò)程可能需要由數名工程師花費數周甚至數月的時(shí)間才能完成，而且這還只是基本的FOC 算法，不包含任何附加算法。要手動(dòng)將這些附加算法集成到基本FOC 中也相當困難。使用motorBench 工具確實(shí)能夠幫助用戶(hù)節省大量時(shí)間和精力，使他們有時(shí)間專(zhuān)注于實(shí)現其應用代碼以及更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年3月期）