通過(guò)智能電機控制優(yōu)化實(shí)時(shí)性能與效率的方案
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梯形與正弦控制是 BLDC 電機控制兩種最主要的選擇。由于梯形控制比較簡(jiǎn)單且成本較低，因而傳統上一直屬于首選方法。但是，為了實(shí)現更順暢的操作、更及時(shí)的轉矩響應性以及更低的電氣噪聲，現在許多開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始轉而采用正弦控制方法。這不僅能提高性能和效率，還能配合分布繞組工作，且在較高速度條件下也能表現出更強大的控制能力，從而有助于 OEM 廠(chǎng)商實(shí)現出色的系統差異化。例如，梯形控制法的 EMI(電磁干擾)較高，會(huì )造成電機系統不穩定，從而顯著(zhù)影響性能，同時(shí)還會(huì )加大人耳可覺(jué)察的干擾噪音。
反饋
高級控制機制的更高性能和復雜性從一定程度而言都與反饋環(huán)路的使用有關(guān)。反饋環(huán)路可對速度、位置/角度、電流、磁通量以及轉矩進(jìn)行調節。FOC 需要測量速度以及轉子與定子之間的角度。梯形和正弦控制則需要測量速度、位置和電流。
開(kāi)發(fā)人員既能夠采用傳感器也能夠采用無(wú)傳感器方案來(lái)實(shí)施反饋。就采用 ACI 電機的應用而言，可使用測速計直接測量速度。采用 PMSM 的設計方案則可使用編碼器或分解器對位置進(jìn)行跟蹤，同時(shí)可通過(guò)測量一定時(shí)間內的位置變化來(lái)計算速度。傳感器確實(shí)會(huì )增加系統的成本和組件數量，但對高精度系統來(lái)說(shuō)往往是必需的。
對于無(wú)傳感器的方案而言，需要通過(guò)滑模 (Sliding Mode) 和模型參考自適應系統 (MRAS) 等“狀態(tài)觀(guān)察器”根據實(shí)時(shí)電流與電壓的測量結果對電機的速度和角度進(jìn)行建模(也就是進(jìn)行估算)。這種方法的益處是電流和電壓傳感器比位置傳感器(采用單個(gè) DC 分流就能以低成本的方式對電流進(jìn)行可靠的測量)便宜得多，但實(shí)施數學(xué)電機建模工作會(huì )占用系統微處理器一定量的 MIPS 資源。
集成型電機控制
當前片上系統集成的發(fā)展趨勢改變了開(kāi)發(fā)人員實(shí)施電機控制的方式?，F在，支持智能控制機制實(shí)施的 MCU 成本還不足 2 美元，即便對大量低成本應用而言也足以接受，有助于提升性能、效率和精度。舉例來(lái)說(shuō)，德州儀器 (TI) 的低成本 C2000 Piccolo MCU 可在單顆芯片上控制兩個(gè)電機，同時(shí)仍能為功率因數校正 (PFC) 等其他高價(jià)值特性預留足夠的性能空間。此外，這種微處理器還集成了眾多基于硬件的特性，能夠進(jìn)一步提升性能和效率。
● 加速器：基于硬件的處理能將主 MCU 解放出來(lái)，進(jìn)而加快計算速度并簡(jiǎn)化整體設計;例如，控制律加速器 (CLA) 能完全承擔起整個(gè)閉環(huán) FOC 系統的處理任務(wù);除了可提升電機控制的精度之外，加速器還能提供更多的處理預留性能空間，使開(kāi)發(fā)人員能夠通過(guò)抽象來(lái)簡(jiǎn)化設計，實(shí)施更高級的算法和/或采用成本更低的 MCU。
● 電機控制專(zhuān)用外設：MCU 上的集成外設不僅能降低系統成本、提高系統精度，而且還能加速設計進(jìn)程;例如，高分辨率和已同步的 ADC 能讓 MCU 通過(guò) CPU 獲取來(lái)實(shí)現 ADC 采樣同步，以執行時(shí)延極低的高準確度電流測量;基于硬件的可編程 PWM 配合增強型特性不僅能優(yōu)化性能，還能提升效率，并確保 ADC 采樣不與 PWM 切換同時(shí)發(fā)生;最后，諸如 CAP/QEP 傳感器接口等集成型接口能夠顯著(zhù)簡(jiǎn)化設計工作、減少組件數，并降低系統成本。
● 實(shí)時(shí)調試支持：電機控制應用面臨的一個(gè)特殊挑戰，就是要在電機不間斷運行的情況下，持續提供中斷的同時(shí)進(jìn)行系統調試;為了實(shí)現這一目標，需要讓基于硬件的實(shí)時(shí)調試電路系統幫助開(kāi)發(fā)人員以非侵入式的方式直接存取內部微處理器資源;此外，基于硬件的調試還可對已部署的系統進(jìn)行現場(chǎng)故障排除。
加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程
獲得設計與調試所需的軟硬件是最大限度加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程的關(guān)鍵。比方說(shuō)，通用硬件平臺能幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現設計的可擴展性，能針對不同應用實(shí)現軟件的重復使用，如從簡(jiǎn)單的電機應用直到高端的高精度應用等。此外，提供豐富電機控制庫的可視開(kāi)發(fā)工具也能進(jìn)一步擴展平臺的價(jià)值，使開(kāi)發(fā)人員能夠將現有框架進(jìn)行快速調諧以適用于特定的應用領(lǐng)域，從而實(shí)現高級別的功能。
可視開(kāi)發(fā)工具使開(kāi)發(fā)人員能夠將現有框架進(jìn)行快速調諧以適用于特定應用，從而實(shí)現高級別的設計。例如雙通道無(wú)傳感器 FOC 式 PMSM 系統的增量構建。在這一點(diǎn)上，開(kāi)發(fā)人員能夠確認目標獨立的模塊、占空比以及 PWM 更新。此外，對電機表現建模的功能還可幫助開(kāi)發(fā)人員在電機斷連時(shí)確認 PWM 操作，從而可避免意外熔斷。
開(kāi)發(fā)人員通?？赏ㄟ^(guò)采用定點(diǎn) MCU 來(lái)降低系統成本，不過(guò)代價(jià)是要手動(dòng)管理數學(xué)精度與分辨率問(wèn)題。采用諸如 TI IQMath 等庫抽象化算法設計，算法代碼可在 MCU 以及應用、控制機制與電機類(lèi)型之間進(jìn)行移植。此外，抽象性還可簡(jiǎn)化第三方電機控制軟件與開(kāi)發(fā)平臺(如 Mathworks 的 Embedded Target 與 Visual Solutions 的 VisSim 等)之間的集成，促進(jìn)代碼重復使用，而且即便在浮點(diǎn)與定點(diǎn) MCU 之間也可實(shí)現代碼的“上下”移動(dòng)。
專(zhuān)為電機控制應用設計的高集成 MCU 的推出使開(kāi)發(fā)人員不僅能夠降低現有系統成本，而且還可采用更智能的控制機制提高系統性能、精度以及效率。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)了解其可使用的不同電機類(lèi)型與控制方法，就可選擇適當的方法與控制智能水平來(lái)構建易于擴展的高穩健系統，該系統不但支持各種增值特性，而且還可充分利用長(cháng)期的代碼投資。
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