設計高性能和低功耗的電機控制系統

FOC是一種針對使用永磁(PM)電機的系統而設計的重要技術(shù)。PM電機在白色家電中的普及度日益增加，它們具備更高的功率密度且不易磨損，因此效率非常高。

開(kāi)發(fā)人員僅需提供幾個(gè)矢量和旋轉方向就可實(shí)現輸出的實(shí)時(shí)信號更新。FOC等先進(jìn)的控制機制是提高性能但不增加成本的重要技術(shù)。Piccolo架構大幅簡(jiǎn)化了對稱(chēng)PWM波形的生成。利用Piccolo MCU，開(kāi)發(fā)者可以輕松引入更改精確的控制，同時(shí)仍然為PFC留出足夠余量。事實(shí)上，TI是第一個(gè)以2–6美元的價(jià)格點(diǎn)在單芯片上同時(shí)支持PFC和FOC功能的公司。

功率因數校正

FC可確保電流波形遵循電壓波形，不論負載或輸入條件出現任何變化，它都能將輸出直流電壓調節為常量。當以有源數字方式執行PFC時(shí)，PFC能更加精確，并能消除電壓和電流之間的所有相移。減少諧波電流含量非常具有吸引力，因為它表示已抽運且未使用的無(wú)功功率。功率因數的重要性在于這一事實(shí)：公用事業(yè)公司向客戶(hù)提供伏安，卻以瓦特計費。低于1.0的功率因數要求公用事業(yè)公司生產(chǎn)的伏安數大于提供實(shí)際功率（瓦特）所必需的最小伏安數。

此外，PFC還用于平緩功耗和調節輸出電壓。例如，當冰箱中的壓縮機開(kāi)啟時(shí)，它會(huì )在電力網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的負載，通常表現為壓降。這類(lèi)功率峰值和諧波會(huì )損害脆弱的電子系統。當系統達到峰值時(shí)，如果沒(méi)有PFC，它們傾向于抽運未消耗的功率，因而會(huì )降低總效率。此外，即使是在動(dòng)態(tài)負載下，PFC也能讓直流總線(xiàn)電壓保持穩定。

PFC對動(dòng)力傳動(dòng)鏈下游也有進(jìn)一步影響。由于電力公司需要生成更大的功率電容以適應峰值，因此，行業(yè)鼓勵電子產(chǎn)品制造商采用PFC等技術(shù)來(lái)平緩功耗。在某些情況下，必須采用PFC - IEC 60730要求歐洲市場(chǎng)出售的白色家電中必須采用PFC。

PFC的模擬或無(wú)源實(shí)施被鎖定為單個(gè)模式，對操作條件變化的反應能力有限。相反，有源或數字控制的PFC能作用于并適應操作條件的變化。例如，當空調即將打開(kāi)壓縮機時(shí)，PFC能在瞬時(shí)中斷時(shí)主動(dòng)補償較大的負載。這不僅能減少生成的瞬態(tài)數量，還能使功率使用更為高效。數字PFC的靈活性也使開(kāi)發(fā)人員可使用可能比PFC無(wú)源實(shí)施更復雜的PFC拓撲。

不可小覷高分辨率PWM和A/D轉換器對有效PFC的重要性。維持模擬和數字域交匯處的信號完整性極其重要，因為這些交界處出現的任何錯誤都會(huì )降低性能。

多個(gè)電機的控制

許多系統都使用多個(gè)電機。例如，HVAC系統需要管理一臺壓縮機和一臺風(fēng)扇。大多數實(shí)施要求每個(gè)電機和其他電機使用獨立的控制器以實(shí)施PFC。

C2000 Piccolo MCU是第一種能夠使用單芯片通過(guò)PFC管理兩個(gè)電機的控制器。許多MCU沒(méi)有為控制多個(gè)電機及執行主動(dòng)PFC所需的計算能力或集成外設。例如，控制電機可能需要工作頻率高達20KHz的控制回路。另一方面，PFC需要約為50至100KHz的工作頻率。為了可靠地執行此類(lèi)高頻控制算法 - 這種情況下為兩個(gè)控制電機和一個(gè)管理PFC - MCU必須能夠在幾乎無(wú)延遲的情況下迅速有效地處理計算。

控制多個(gè)電機的能力不僅可以降低系統成本，還可以提高總功率效率和性能。對于操作雙電機的應用，兩個(gè)電機都受相同MCU的控制，這一事實(shí)能夠讓控制器協(xié)調一臺電機相對于另一臺電機而言的加速速度。此外，由于兩個(gè)電機都抽運相同的電流源，也可以對PFC實(shí)施進(jìn)行協(xié)調以取得更佳結果。

無(wú)傳感器控制

另一個(gè)潛在成本節約方面在于無(wú)傳感器反饋?？墒褂媒＜夹g(shù)來(lái)精確地確定電機位置或速度，而非使用速度和/或位置傳感器。要控制PM無(wú)刷直流電機，位置和速度信息至關(guān)重要。在當今許多系統中，傳感器都用于收集此數據，將此作為控制算法的輸入。但是，從規模、成本、維護和可靠性角度來(lái)看，這些傳感器并不具有吸引力。

對于某些應用，傳感器絕對必要。例如，用于醫院呼吸機的氧氣泵需要足夠的精度來(lái)確保固定流速。使用自定義電機時(shí)，創(chuàng )建精確的模型可能會(huì )非常困難。對于非常低速的系統應用，可能不存在足夠的反饋來(lái)支持無(wú)傳感器實(shí)施。

然而，對于許多應用（包括白色家電）而言，這種精度并非必要，因此，可引入無(wú)傳感器控制以降低系統成本。例如，當永磁同步電機處于使用狀態(tài)時(shí)，可使用名為滑模觀(guān)測器的動(dòng)態(tài)模型替代傳感器，該觀(guān)測器的實(shí)施既強大又簡(jiǎn)單。此外，可通過(guò)最壞情況下極低的速度誤差實(shí)現較高的功率效率。

消除傳感器的使用需要控制器模擬電機的狀態(tài)，這樣便能正確估算出相應的位置/速度。為了保持足夠的模型精度，需要對電壓進(jìn)行精確的高頻監控。對于這項工作，Piccolo MCU提供了集成的12位A/D轉換器，可以為大多數應用提供正確的精度水平。

對于不需要傳感器的應用，Piccolo MCU設計為支持正交編碼器和測速發(fā)電機。對于需要編碼器的應用，Piccolo器件包含集成的增強型正交編碼器脈沖(QEP)，它可以自動(dòng)將光編碼器脈沖轉換為速度和方向，同時(shí)僅使用兩個(gè)數字輸入和一個(gè)16/32位內部定時(shí)器寄存器。QEP是TI致力于通過(guò)降低系統復雜性來(lái)加快開(kāi)發(fā)速度的另一個(gè)例子。通過(guò)自動(dòng)處理脈沖解碼并輸出位置和速度，QEP讓開(kāi)發(fā)人員免去了必須親自創(chuàng )建此代碼的過(guò)程，這樣，他們便能夠集中精力讓自己的應用與眾不同。

Piccolo MCU的QEP在下述方面特別具有多用途性：它幾乎可以連接任何正交編碼器，包括需要時(shí)鐘信號、生成自己的時(shí)鐘信號以及不使用時(shí)鐘的解碼器。不采用QEP的MCU要求開(kāi)發(fā)人員使用GPIO捕獲脈沖，然后在軟件進(jìn)行解碼，這種方式會(huì )使維持高頻控制環(huán)路的實(shí)時(shí)可靠性復雜化。

存在各種類(lèi)型的測速發(fā)電機；一些提供與電機速度成比例的直流電壓。通過(guò)將某一Piccolo MCU的A/D轉換器輸入接口連接到測速發(fā)電機的輸出接口，可以輕松計算出這一速度。對于使用簡(jiǎn)單霍爾效應傳感器來(lái)輸出若干電機每轉脈沖數的低成本電機，軟件驅動(dòng)器通常會(huì )測量脈沖頻率并跟蹤電機方向。

Piccolo MCU可以使用其集成的增強型捕捉外設(eCAP)簡(jiǎn)化此軟件驅動(dòng)器的設計。eCAP觸發(fā)霍爾效應脈沖上升沿和下降沿的關(guān)閉，并自動(dòng)計算脈沖間的寬度和周期。此外，eCAP在需要讀取之前能捕獲多達四個(gè)脈沖。

降低系統成本

理想的系統可以將模擬和數字技術(shù)整合在一起，并充分利用某一價(jià)格點(diǎn)的可用處理能力。

Piccolo MCU架構背后的關(guān)鍵基礎之一，是在單芯片上集成的功能的數量。通過(guò)在數字域執行任務(wù)，可以減少元件數。這直接降低了系統成本，提高了可靠性。不足之處是MCU必須能夠具有成本效益地吸收增加的負荷。

在所有速度范圍上實(shí)現有效控制，使開(kāi)發(fā)者設計的電源器件的容量能夠與應用需求達到最佳匹配，從而提高功率和成本效益。這也能帶來(lái)更流暢的操作和更佳的性能，可減少影響工作壽命的轉矩脈動(dòng)和振動(dòng)等問(wèn)題。

對于無(wú)傳感器應用，可以顯著(zhù)節省成本。不使用傳感器除了可以從系統BOM中去除這些傳感器外，還可以省去安裝傳感器接口。不僅制造商的系統更加便宜，故障點(diǎn)也減少了。

自我監測的價(jià)值遠遠超出僅將以前的模擬功能遷移到數字化實(shí)施。多達16個(gè)A/D通道，外加可編程自動(dòng)序列發(fā)生器，簡(jiǎn)化了對整個(gè)系統中的不同電流、電壓和傳感器的監測過(guò)程。用于增加電機精度和性能的數據也可以用來(lái)診斷潛在問(wèn)題。例如，通過(guò)觀(guān)察機械振動(dòng)的頻譜，系統在故障早期即可以識別、預測系統故障并采取行動(dòng)。