設計高性能和低功耗的電機控制系統

數字電機控制的首次推出旨在克服傳統模擬系統在處理漂移、組件老化和由溫度引起的變化等方面的挑戰。靈活的軟件算法不僅消除了與組件有關(guān)的容差問(wèn)題，還使開(kāi)發(fā)者能夠動(dòng)態(tài)地適應環(huán)境條件隨著(zhù)時(shí)間的變化。例如，使用數字化實(shí)施現在不僅能夠完全打開(kāi)或關(guān)閉風(fēng)扇電機，還能根據系統溫度調整風(fēng)扇速度。此外，系統還能夠自行校準，從而不需要安排常規的手動(dòng)維護。

本文概述了電機控制設計方面的事項，例如多個(gè)電機控制、磁場(chǎng)定向控制、功率因數校正和傳感器控制。此外還介紹了當今的微控制器(MCU)如何使各種廣泛的應用具有更大精度、更小功耗和更低成本。

當今的微控制器(MCU)可使各種廣泛的應用具有更大精度、更小功耗和更低成本，包括：

● 帶有風(fēng)機和壓縮機的白色家電和設備，例如洗衣機和冰箱

● HVAC（取暖、通風(fēng)和空調）系統

● 用于電機控制、電源逆變器和機器人的工業(yè)伺服驅動(dòng)

● 汽車(chē)控制系統，包括動(dòng)力轉向、防鎖死剎車(chē)和懸架控制

TI了解開(kāi)發(fā)者在設計這些高性能電機控制系統時(shí)面臨的挑戰。制造商尋求引入先進(jìn)的控制算法以實(shí)現產(chǎn)品差異化，而日益增加的政府法規要求更高效的功耗和減少EMI。

為了幫助開(kāi)發(fā)人員應對這些多種多樣的挑戰，TI提供了TMS320C2000 Piccolo MCU系列。Piccolo MCU具有優(yōu)化的架構，集成了專(zhuān)用外設，能夠：

● 使用實(shí)時(shí)算法獲得更精確的控制

● 通過(guò)功率因數校正(PFC)獲得更高的功效和更好的控制

● 支持通過(guò)單芯片控制多個(gè)電機

● 通過(guò)無(wú)傳感器控制簡(jiǎn)化設計

● 降低系統復雜性和成本

Piccolo的優(yōu)點(diǎn)Piccolo MCU利用TI的高性能TMS320C28x內核，提供以單一獨立控制器控制系統所需的所有性能和外設。通過(guò)充足的余量和專(zhuān)用外設，Piccolo MCU使開(kāi)發(fā)者能夠實(shí)現更先進(jìn)的控制算法，在進(jìn)一步提高性能的同時(shí)降低系統成本。

Piccolo架構已針對數字控制應用進(jìn)行了優(yōu)化，具有先進(jìn)的架構特性，增強了高速信號處理能力。Piccolo的主CPU內核具有單周期32×32位乘法及累積單元等內置DSP功能，大幅度提高了計算速度。此外，諸如ADC和PWM等控制外設設計得非常靈活，能夠輕松適應幾乎任何用途，而需要的軟件開(kāi)銷(xiāo)極小。例如，模數轉換器所具有的自動(dòng)序列發(fā)生器允許開(kāi)發(fā)者進(jìn)行編程，以循環(huán)通過(guò)特定次序的樣本，這樣當應用程序需要時(shí)值已就緒。使用更智能的控制外設和強大的CPU內核，控制環(huán)路運行更緊密，既改進(jìn)了控制算法的動(dòng)態(tài)特性，又減少了干擾行為。

TMS320F2803x和F2806x Piccolo MCU上集成的控制律加速器(CLA)是一個(gè)32位浮點(diǎn)數學(xué)加速器，它能有效承載主CPU內核的高速控制環(huán)路。CLA在不經(jīng)過(guò)CPU內核的前提下通過(guò)對外設的直接訪(fǎng)問(wèn)和響應外設中斷的能力實(shí)現此過(guò)程。與獨立內核相似，CLA有自己的指令集和內存空間，可以完全獨立于CPU進(jìn)行操作。

其他重要的Piccolo MCU特性包括：

● 3.3-V單電源支持全部功能的運行

● 雙內部高精度振蕩器；無(wú)需外部晶體

● 12位A/D轉換器具有16通道，最大采樣頻率為每秒4.6兆樣本

● 多達19通道的PWM輸出，具有可配置自動(dòng)死區

● 19個(gè)PWM通道中有多達8個(gè)可以在高分辨率模式下工作，其可以低至150皮秒

● 增強型正交編碼器脈沖(QEP)和增強型捕捉外設(eCAP)可以簡(jiǎn)化傳感器解碼

精確和準確控制

Piccolo架構提供極佳的處理功能，達每秒4000至8000萬(wàn)條指令(MIPS)。這樣的高性能使開(kāi)發(fā)者不僅能夠同時(shí)監視和控制多個(gè)電機，還能夠執行更復雜的控制算法以實(shí)現更高的精度、更流暢的性能和更低的功耗。例如，單一Piccolo MCU能夠在控制兩個(gè)電機的同時(shí)維持有源PFC控制，并且仍然有足夠的處理能力來(lái)執行高級電機控制算法，例如無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制(FOC)。

脈寬調制(PWM)在產(chǎn)生供應給電機或高性能電源的電壓或電流中發(fā)揮重要的作用?？刂扑惴ǖ淖钚赂倪M(jìn)使開(kāi)發(fā)人員能夠實(shí)施高度精確的算法，以提供與系統行為實(shí)時(shí)變化相適應的動(dòng)態(tài)控制。FOC具有很多優(yōu)勢，包括低速的全電機扭矩功能、出色的動(dòng)態(tài)行為、跨越很大速度范圍的高效率、對扭矩和磁通的解耦控制、短期過(guò)載功能和四象限操作。但是，FOC也要求比標準的控制方案明顯更加復雜的計算。

圖1.如果組合Clarke和Park變換（如上述定義），我們可從三相旋轉域移至固定域：僅需實(shí)時(shí)控制DC數量。

圖2.定子電流矢量去耦為扭矩和通量分量，以執行磁場(chǎng)定向控制。

FOC原理是通過(guò)對電機的相電流進(jìn)行采樣來(lái)控制定子磁場(chǎng)的角度和振幅分量，然后進(jìn)行轉換，使其易于控制。電機的三相電流通過(guò)ADC讀入系統。這些相電流處于三相旋轉域內，并使用Clarke變換將其轉換為二維旋轉域。由此，可使用Park變換將這兩個(gè)相位轉換到固定域內，如圖1所示。Clarke和Park變換可被可視化為彼此的矢量投影，如圖2所示。Park變換會(huì )產(chǎn)生通量分量Id和轉矩分量Iq。永磁電機的電機轉矩僅取決于轉矩分量Iq。因此，最便捷的控制策略即是將通量分量(Id)設置為零，這將最大限度地減少轉矩電流比并提高電機效率。電流分量的控制需要具備有關(guān)瞬時(shí)轉子位置的知識。轉子位置既可使用無(wú)傳感器技術(shù)計算，也可使用傳感器測量。由于Park變換的輸出位于固定域中，因此可使用PID回路等傳統技術(shù)進(jìn)行控制。然后可將PID回路的輸出輸入到逆向Park、逆向Clarke中，然后直接輸入到電機驅動(dòng)器。

圖3所示為完整的FOC電機控制系統，該系統使用無(wú)傳感器技術(shù)以獲取轉子位置。三相逆變器的ADCINx和ADCINy輸出是三個(gè)相電流之二；第三種很容易計算。如上所述，相電流從此處輸入Parke和Clarke變換中。此無(wú)傳感器系統根據三相電流的反饋使用“SMOPOS”和“SMOSPD”計算轉子位置，消除了使用昂貴傳感器的需求。

圖3.適用于永磁電機的完整磁場(chǎng)定向控制系統。