通過智能電機控制優(yōu)化實時性能與效率

　　關(guān)鍵詞：智能;電機控制;MCU;集成型

　　數(shù)十年來，大多數(shù)電機控制應(yīng)用都依賴于可為其實現(xiàn)低成本與實施簡便性的通用有刷 DC 與步進電機。不過，隨著微處理器 (MCU) 架構(gòu)的不斷創(chuàng)新與集成度的不斷提高，當今開發(fā)人員能夠采用更先進與更智能的電機類型與控制機制，以極低的成本提高電機的精度、性能、電源效率和使用一系列狀態(tài)簡化控制復雜性。所支持的狀態(tài)越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時也意味著需要更復雜的處理過程壽命。

　　高級電機類型

　　AC 電感 (ACI) 電機能很好地滿足各種不同高性能應(yīng)用的需求，其中包括白色家電、泵、風扇以及壓縮機等(如冰箱和 HVAC 系統(tǒng))。由于電機的內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子由可變電流控制且以不同的速度旋轉(zhuǎn)，因而 ACI 電機采“持續(xù)”的控制方案來提高定位精度。PMSM 可實現(xiàn)低噪聲工作和最小轉(zhuǎn)矩，理想適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用用異步工作模式。ACI 擁有優(yōu)異的速度與扭矩控制，能夠以較低的成本實現(xiàn)卓越的穩(wěn)健性，且在高速情況下具有出色的效率。ACI 的主要劣勢在于其需要復雜的反饋和控制機制，才能避免速度變化和較低速度時的效率不受影響。

　　無刷 DC (BLDC) 電機采用同步工作模式，可通過可變電流控制定子磁通量，而定子磁通量則由永磁線圈或電流饋電線圈保持為常量。同步控制能夠提供非常高的位置精度，以及更高的電源效率(也就是說，由于磁鐵固有的磁通量，因而驅(qū)動電機所需的電流可以降低)。BLDC 電機采用一系列狀態(tài)(參見圖 1)對位置進行控制。所支持的狀態(tài)越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時也意味著需要更復雜的處理過程。由于 BLDC 為無刷操作，因而理想適用于維護和磨損對總擁有成本影響較大的應(yīng)用領(lǐng)域。BLDC 是發(fā)展速度最快的一種電機類型，能針對中高扭矩實現(xiàn)高效可靠的操作，具有高功率密度和可用于易燃環(huán)境等特性，非常適用于自動化、牽引、精密設(shè)備和白色家電等應(yīng)用。由于 BLDC 采用簡單的換向技術(shù)，因而這種系統(tǒng)復雜度較低、重量較輕，有助于實現(xiàn)小尺寸、高效率、低成本等優(yōu)異特性，而且在變速及低速情況下均能實現(xiàn)出色性能。

　　永磁同步電機 (PMSM) 與 BLDC 電機的不同之處在于采用了“持續(xù)”的控制方案(參見圖 2)。也就是說，PMSM 可實現(xiàn)低噪聲工作、最小的換向轉(zhuǎn)矩紋波，且能與低成本的分布繞組協(xié)同配合。其可支持更高的最高可達速度和更高的效率與轉(zhuǎn)矩，因此非常適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用，例如牽引、高精度自動化(機器人)以及混合動力/電動汽車等。

　　智能控制機制

　　對于如何控制不同類型的電機而言，開發(fā)人員有許多選擇，具體取決于保持電機效率的工作范圍(如高/低速度、高轉(zhuǎn)矩)以及需要多高的精度(如位置、速度、轉(zhuǎn)矩等)。每一種控制機制都在成本、電源效率、精度和性能方面擁有最佳的平衡點。

　　簡單的標量控制(也稱為 V/f 或單位頻率電壓)是一種用于驅(qū)動 ACI 電機的流行方法，因為這種方法實施起來簡單直接，且其相應(yīng)的處理要求也不高?？赏ㄟ^改變用于驅(qū)動電機的正弦波頻率來管理速度，無需控制電流或優(yōu)化轉(zhuǎn)矩。但是，簡單的標量控制在高速和低速情況下轉(zhuǎn)矩效率均較低，動態(tài)性能不佳，對變化的響應(yīng)遲緩，對設(shè)置點產(chǎn)生過沖，并在低速情況下內(nèi)部電源損耗非常嚴重。

　　磁場定向控制 (FOC) 相對于簡單標量控制而言，F(xiàn)OC是一種智能化程度更高的控制機制，根據(jù)應(yīng)用的不同，其更高的復雜性能實現(xiàn)相對更出色的低成本性和電源效率以及更高的精度和性能。此外，F(xiàn)OC 也稱為矢量控制，能在整個轉(zhuǎn)矩和速度范圍內(nèi)實現(xiàn)對 ACI 和 PMSM 電機(表 1)的最佳控制。FOC 不僅能在最小化轉(zhuǎn)矩紋波的同時提升起始轉(zhuǎn)矩，而且還能有效支持所有速度的最大轉(zhuǎn)矩。其可對變化進行快速響應(yīng)并能在滿負載條件下保持零速，從而可在整個電機速度范圍內(nèi)確保性能穩(wěn)定可靠。由于 FOC 采用電流控制模式，因而開發(fā)人員可根據(jù)特定應(yīng)用來相應(yīng)優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器電路和電機大小。

　　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單且成本較低，因而傳統(tǒng)上一直屬于首選方法。但是，為了實現(xiàn)更順暢的操作、更及時的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性以及更低的電氣噪聲，現(xiàn)在許多開發(fā)人員開始轉(zhuǎn)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(xiàn)出更強大的控制能力，從而有助于 OEM 廠商實現(xiàn)出色的系統(tǒng)差異化。例如，梯形控制法的 EMI(電磁干擾)較高，會造成電機系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而顯著影響性能，同時還會加大人耳可覺察的干擾噪音。

　　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(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)。FOC 需要測量速度以及轉(zhuǎn)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。

　　開發(fā)人員既能夠采用傳感器也能夠采用無傳感器方案來實施反饋。就采用 ACI 電機的應(yīng)用而言，可使用測速計直接測量速度。采用 PMSM 的設(shè)計方案則可使用編碼器或分解器對位置進行跟蹤，同時可通過測量一定時間內(nèi)的位置變化來計算速度。傳感器確實會增加系統(tǒng)的成本和組件數(shù)量，但對高精度系統(tǒng)來說往往是必需的。

　　對于無傳感器的方案而言，需要通過滑模 (Sliding Mode) 和模型參考自適應(yīng)系統(tǒng) (MRAS) 等“狀態(tài)觀察器”根據(jù)實時電流與電壓的測量結(jié)果對電機的速度和角度進行建模(也就是進行估算)。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 DC 分流就能以低成本的方式對電流進行可靠的測量)便宜得多，但實施數(shù)學電機建模工作會占用系統(tǒng)微處理器一定量的 MIPS 資源。

　　集成型電機控制

　　當前片上系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢改變了開發(fā)人員實施電機控制的方式?，F(xiàn)在，支持智能控制機制實施的 MCU 成本還不足 2 美元，即便對大量低成本應(yīng)用而言也足以接受，有助于提升性能、效率和精度。舉例來說，德州儀器 (TI) 的低成本 C2000 Piccolo MCU 可在單顆芯片上控制兩個電機，同時仍能為功率因數(shù)校正 (PFC) 等其他高價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，進而加快計算速度并簡化整體設(shè)計;例如，控制律加速器 (CLA) 能完全承擔起整個閉環(huán) FOC 系統(tǒng)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，使開發(fā)人員能夠通過抽象來簡化設(shè)計，實施更高級的算法和/或采用成本更低的 MCU。

　　● 電機控制專用外設(shè)：MCU 上的集成外設(shè)不僅能降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)精度，而且還能加速設(shè)計進程;例如，高分辨率和已同步的 ADC 能讓 MCU 通過 CPU 獲取來實現(xiàn) ADC 采樣同步，以執(zhí)行時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 切換同時發(fā)生;最后，諸如 CAP/QEP 傳感器接口等集成型接口能夠顯著簡化設(shè)計工作、減少組件數(shù)，并降低系統(tǒng)成本。

　　● 實時調(diào)試支持：電機控制應(yīng)用面臨的一個特殊挑戰(zhàn)，就是要在電機不間斷運行的情況下，持續(xù)提供中斷的同時進行系統(tǒng)調(diào)試;為了實現(xiàn)這一目標，需要讓基于硬件的實時調(diào)試電路系統(tǒng)幫助開發(fā)人員以非侵入式的方式直接存取內(nèi)部微處理器資源;此外，基于硬件的調(diào)試還可對已部署的系統(tǒng)進行現(xiàn)場故障排除。

　　加速開發(fā)進程

　　獲得設(shè)計與調(diào)試所需的軟硬件是最大限度加速開發(fā)進程的關(guān)鍵。比方說，通用硬件平臺能幫助開發(fā)人員實現(xiàn)設(shè)計的可擴展性，能針對不同應(yīng)用實現(xiàn)軟件的重復使用，如從簡單的電機應(yīng)用直到高端的高精度應(yīng)用等。此外，提供豐富電機控制庫的可視開發(fā)工具也能進一步擴展平臺的價值，使開發(fā)人員能夠?qū)F(xiàn)有框架進行快速調(diào)諧以適用于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，從而實現(xiàn)高級別的功能。

　　可視開發(fā)工具使開發(fā)人員能夠?qū)F(xiàn)有框架進行快速調(diào)諧以適用于特定應(yīng)用，從而實現(xiàn)高級別的設(shè)計。例如雙通道無傳感器 FOC 式 PMSM 系統(tǒng)的增量構(gòu)建。在這一點上，開發(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(xiàn)建模的功能還可幫助開發(fā)人員在電機斷連時確認 PWM 操作，從而可避免意外熔斷。

　　開發(fā)人員通?？赏ㄟ^采用定點 MCU 來降低系統(tǒng)成本，不過代價是要手動管理數(shù)學精度與分辨率問題。采用諸如 TI IQMath 等庫抽象化算法設(shè)計，算法代碼可在 MCU 以及應(yīng)用、控制機制與電機類型之間進行移植。此外，抽象性還可簡化第三方電機控制軟件與開發(fā)平臺(如 Mathworks 的 Embedded Target 與 Visual Solutions 的 VisSim 等)之間的集成，促進代碼重復使用，而且即便在浮點與定點 MCU 之間也可實現(xiàn)代碼的“上下”移動。

　　專為電機控制應(yīng)用設(shè)計的高集成 MCU 的推出使開發(fā)人員不僅能夠降低現(xiàn)有系統(tǒng)成本，而且還可采用更智能的控制機制提高系統(tǒng)性能、精度以及效率。開發(fā)人員通過了解其可使用的不同電機類型與控制方法，就可選擇適當?shù)姆椒ㄅc控制智能水平來構(gòu)建易于擴展的高穩(wěn)健系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但支持各種增值特性，而且還可充分利用長期的代碼投資。