飛思卡爾針對無傳感器雙電機控制推出100MHz 32位DSC

　　電機驅(qū)動器是洗衣機、洗碗機、干衣機、冰箱、空調(diào)系統(tǒng)等家用電器的組成部分。近幾年對家電電機驅(qū)動器的要求發(fā)生了很大的變化。推動這些變化的因素包括安全和環(huán)境友好要求、性能要求，以及制造成本。其中一個關(guān)鍵要求是實現(xiàn)高效率，這決定了需要使用采用先進的控制算法的高能效電機進行電機控制和家電控制。性能要求涵蓋了可變的電機轉(zhuǎn)速操作，并要求具有高動量和廣泛的轉(zhuǎn)速范圍。與簡單的換相控制相比，低噪聲要求更傾向于正弦驅(qū)動。單相異步電機和通用電機正在被三相電機（交流感應電機、無刷直流電機以及最主要的永磁同步電機（PMSM））取代，因為三相電機能夠滿足上述要求。通常需要對交流感應電機或永磁同步電機進行矢量控制。矢量控制提供卓越的動態(tài)性能，可以在低速情況下利用完整的電機轉(zhuǎn)矩功能，在廣泛的速率范圍內(nèi)在每個工作點高效地控制電機，并能夠單獨控制電機轉(zhuǎn)矩和通量。最重要的是，對統(tǒng)一輸入功率因數(shù)的需求要求采用功率因數(shù)校正（PFC）電路。

　　電機驅(qū)動器的技術(shù)解決方案通常接近技術(shù)極限，在很大程度上由成本推動。電機的大小和材料成本進行了優(yōu)化，通常會產(chǎn)生非線性電機參數(shù)，會隨著電機溫度和電流而變化。電子硬件盡可能保持簡單；設計人員通常不會使用昂貴、精準的模擬元件，而實施專用軟件算法。位置或速度傳感器相當昂貴，因此開發(fā)人員側(cè)重于實現(xiàn)無傳感器的操作，采用先進的數(shù)學估算方法，根據(jù)外加電壓計算電機速度和位置，生成電流和電機參數(shù)。因此，電機控制不再是一種簡單的算法，而成為一個復雜的系統(tǒng)，需要帶有專用外設的高性能微控制器和先進的電機控制算法。

　　一些家電包含一個以上的電機。洗衣機就是一個例子，它有一個水泵和主驅(qū)動器，空調(diào)則包括壓縮機和風扇。過去，這些電機由單獨的電子電路驅(qū)動。然而，為了實現(xiàn)最低的成本，出現(xiàn)了使用一個單一微控制器并行控制兩個電機的驅(qū)動器，從而最大限度地減少昂貴電子元件的數(shù)量。

　　通過推出集高性能、專用外設和低成本于一身的專用微控制器，將能夠同時實現(xiàn)高效率、高性能和低廉的成本。飛思卡爾提供了完整的數(shù)字信號控制器（DSC）系列，能夠滿足先進的電機控制應用的要求。DSC系列提供了用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換、電機控制以及其他需要高速率和高分辨率控制環(huán)路功能的應用的優(yōu)化解決方案。DSC系列結(jié)合了數(shù)字信號處理器（DSP）的處理能力和微控制器功能以及一組靈活的外設，實現(xiàn)了經(jīng)濟高效的解決方案。DSC系列最先推出基于16位56800E內(nèi)核的32MHz MC56F80xx器件，主要針對復雜驅(qū)動器，如針對泵、風扇、壓縮機的無傳感器矢量控制；接著推出了60MHz DSC，針對無傳感器洗衣機等要求苛刻的應用，最新推出的是基于32位56800EX內(nèi)核的100MHz 56F84xx DSC，它專用于數(shù)字功率轉(zhuǎn)換和無傳感器雙電機控制。

　　100MHz 32位MC56F84xx是市場上速度最快的數(shù)字信號處理微控制器，提供卓越的精度、傳感和控制，用于最高效的數(shù)字功率電源轉(zhuǎn)換和先進的電機控制應用。100MHz / 100MIPS 32位56800EX內(nèi)核提供高級電源和電機控制應用所需的數(shù)學功能。單周期數(shù)學運算、分數(shù)運算支持和平行移動提高了性能，推動實現(xiàn)更緊湊、更快的控制環(huán)路。MC56F84xx包含專用于實時應用的先進的高速、高精度外設。具有312微微秒分辨率的高分辨率脈寬調(diào)制（eFlexPWM）模塊支持更高的交換頻率，能夠降低成本，提高效率。另一個PWM模塊支持實施雙電機控制。兩個12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供高達300ns/3.33Msps的采樣頻率，減少了輸入值的抖動，從而提高了系統(tǒng)的準確性。具有內(nèi)置溫度傳感器和帶隙的16位SAR ADC用于一般的應用測量。4個模擬比較器具有集成的6位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可加快系統(tǒng)事件識別，能夠在緊急情況下停止PWM輸出。多功能定時器允許單獨定時和生成PWM信號，可編程延遲模塊（PDB）用于實現(xiàn)與PWM脈沖同步的硬件ADC觸發(fā)，最終實現(xiàn)電機電流重建。正交解碼器模塊對常用于工業(yè)電機控制驅(qū)動器的正交編碼器位置信號進行解碼。64KB到288KB的閃存提供了主要數(shù)字功率和電機控制應用所需的可擴展性。直接存儲器存?。―MA）控制器減少了內(nèi)核中斷，提高了性能。飛思卡爾FlexMemory EEPROM提供了一個高速暫存存儲器（scratch pad），用于存儲校準和停機值。內(nèi)存保護功能能夠限制用戶代碼訪問重要的內(nèi)存位置和為監(jiān)控人員預留的外設，從而提高了系統(tǒng)安全性。5V容錯I/O提供了設計靈活性和系統(tǒng)成本節(jié)省。包括QSCI、QSPI、I2C/SMBus和FlexCAN在內(nèi)的豐富的通信外設允許與主從系統(tǒng)進行各種連接。模塊間交叉開關(guān)是一種獨特的外設，提供片上外設之間的通用連接：這些外設包括ADC、12位DAC、比較器、QuadTimers、eFlexPWM、PDB、EWM、正交解碼器、特定I/O引腳。


圖1  MC56F84xx框圖

　　具有功率因數(shù)校正的無傳感器雙正弦矢量控制是56F84xx的目標應用之一。該應用常見于洗衣機中，洗衣機有一個DSC控制泵和主驅(qū)動器，或者也常見于室外空調(diào)，其中有一個DSC控制風扇和壓縮機。

　　此類系統(tǒng)的應用需求如下所示：

　　•對永磁同步電機進行雙重控制
　　•同時對兩個電機進行正弦矢量控制（也稱為磁場定向控制-FOC）
　　•無傳感器電機位置估算
　　•高啟動轉(zhuǎn)矩，寬轉(zhuǎn)速范圍
　　•8-16kHz的PWM頻率
　　•使用分流電阻的三相電流傳感（在某些情況下，可首選直流總線上的單一分流傳感），直流總線電壓傳感
　　•輸入功率因數(shù)校正（取決于地區(qū)和總功率）
　　•硬件和軟件故障保護
　　•與主從系統(tǒng)的連接
　　•滿足IEC60730電器安全標準

　　該解決方案的概念如圖2所示。一個單一的DSC控制整個系統(tǒng)–兩個電機、PFC，提供了連接，還提供了電器自身的應用控制。電源硬件包括共用直流總線電路的兩個逆變器、PFC電子元件、電流和電壓傳感以及輔助電源。


圖2  由MC56F84xx驅(qū)動的PFC的雙電機控制

　　如上所述，在目前的電器中，高級電機控制算法通?；谑噶靠刂萍夹g(shù)-參見圖3。使用矢量控制算法，交流感應電機和PM同步電機的控制流程類似于單獨使用的直流電機的控制。在特殊的參考坐標系中，定子電流可以分為由轉(zhuǎn)矩生成的電流和由磁場生成的電流。這些電流通過直流值表示，可以單獨進行控制。

　　矢量控制算法要求使用高速ADC測量三相電流。電流測量必須與PWM脈沖中心同步，以避免轉(zhuǎn)換噪聲，并得到一個有意義的平均電流值。通常情況下，兩相電流將同時進行測量，第三相電流通過計算得出。因此，DSC能夠一次對兩個電流進行采樣，與PWM保持同步。三相電流被轉(zhuǎn)換為循環(huán)的d/q坐標，其中可以單獨控制轉(zhuǎn)矩生成的電流和磁通生成的電流?？刂葡到y(tǒng)包括兩個電流控制環(huán)路-一個用于轉(zhuǎn)矩（由q控制器表示），另一個用于磁場-磁通（由d控制器表示）。根據(jù)這些控制器的結(jié)果，使用空間矢量調(diào)制技術(shù)計算出輸出電壓矢量，并生成對應的逆變器的補充PWM信號。如果電機速度超出了額定值，則必須包括一種特殊算法，能夠支持在磁場削弱區(qū)域運行。即便如此，一些電機仍然具有強大的磁阻轉(zhuǎn)矩。為了使用這個磁阻轉(zhuǎn)矩并構(gòu)建盡可能小（且便宜）的電機，開發(fā)人員實施一種稱為最大轉(zhuǎn)矩電流比控制（MTPA）的特殊算法，該算法可充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩。MPTA還提高了效率。單獨和獨立控制由轉(zhuǎn)矩和磁通生成的電流將實現(xiàn)高度動態(tài)的運行（可實現(xiàn)非常低的速度）和良好的控制。

　　要實現(xiàn)適當?shù)墓δ?，矢量控制算法需要提供位置和速度信息。在工業(yè)驅(qū)動器中，該信息通常從機械位置/速度傳感器獲得，例如編碼器、解析器、SinCos甚至位置霍爾傳感器。對于目前的大多數(shù)電器驅(qū)動器來說，機械傳感器過于昂貴。在某些情況下，由于泵或壓縮機內(nèi)的機械限制，甚至很難使用傳感器。因此，電機位置和速度必須通過先進的無傳感器算法計算得出。對于永磁同步電機的無傳感器位置計算，最有用的算法是基于電機的反電勢（Back-EMF）數(shù)學模型的計算。反電勢數(shù)學模型需要相應的電機參數(shù)、外加電壓和電機電流。在運行時，DSC將解析方程組，運行數(shù)字濾波器和估算器，并計算正確運行矢量控制算法所需的位置和速度。由于該模型基于電機反電勢電壓，而這種電壓在速度為零時會消失，顯然，該方法在速度為零或低速情況下無法提供位置和速度信息。因此，該方法需要一個專門的啟動算法-在通常情況下，是帶有某種轉(zhuǎn)矩和電流限制的開環(huán)啟動。

　　所有這些算法的計算都需要處理器提供較高的計算能力。要求最苛刻的是矢量控制算法的快速控制環(huán)路，其中包括相位電流重建、電流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標計算、電流控制器、空間矢量調(diào)制以及帶有位置和速度估算器和過濾器的全反電勢觀測儀?？焖倏刂骗h(huán)路的計算必須與PWM頻率同步，通常在每個PWM脈沖上運行-對于8-16kHz PWM是63-125微秒的周期。


圖3  永磁同步電機的無傳感器矢量控制

　　雙電機控制需要并行計算兩個矢量控制算法。通常情況下，這兩個電機共享一個逆變器直流總線電路。為了減少直流總線電容的電流應力，并實現(xiàn)最小的直流總線電壓紋波，這兩個電機的PWM脈沖每經(jīng)過半個PWM周期就互相進行轉(zhuǎn)換。這種PWM轉(zhuǎn)換允許實現(xiàn)交替的ADC采樣，因此兩個ADC轉(zhuǎn)換器便足夠了。然后，每個電機的無傳感器矢量控制算法的快速環(huán)路計算也可以交替進行。

　　作為一種可選方法，也可能需要用到功率因數(shù)校正（PFC）。根據(jù)性能要求、輸出功率和負載條件，可以實現(xiàn)若干種PFC技術(shù)。對于雙電機運行常見的高功率，通常使用在連續(xù)傳導模式下運行的交錯式PFC。交錯式PFC包括兩個MOSFET電源開關(guān)和兩個PFC感應器。微控制器感應輸入電流并控制電源開關(guān)，以保持輸入電流為正弦并與電網(wǎng)同步。PFC的典型PWM頻率范圍是50-100kHz。

　　先進的電機控制算法需要專用的外設功能和微控制器的CPU性能，以便同時管理兩個電機和PFC。除了這些任務外，微控制器應提供至少50%的計算時間用于執(zhí)行與其他應用有關(guān)的任務。飛思卡爾MC56F84xx能夠滿足各方面的應用要求，是此類高級應用的理想選擇。

　　要實現(xiàn)成功的應用開發(fā)，非常重要的一點是具備DSC生態(tài)系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠在合理的時間內(nèi)設計出復雜的驅(qū)動器。除了編譯器、調(diào)試器、專門的應用說明和參考設計等標準工具外，飛思卡爾還提供了兩個能夠立即引起開發(fā)人員興趣的工具，即FreeMASTER實時調(diào)試器和嵌入式軟件庫（Embedded Software Libraries）。

　　FreeMASTER是用戶友好的實時調(diào)試、監(jiān)控和數(shù)據(jù)可視化工具。電機控制應用代表一種實時的嵌入式應用，具有許多系統(tǒng)變量和控制參數(shù)。需要實時觀察和評估這些參數(shù)及變量，從而以最佳的方式確定、建立和調(diào)整控制算法。過去，開發(fā)人員使用代碼調(diào)試器和示波器來開發(fā)電機控制應用。這種傳統(tǒng)型開發(fā)非常費力。調(diào)試器通常不允許在運行時查看和更改應用變量，需要停止目標處理器才能訪問這些變量。這種方法不適用于電機控制應用，開發(fā)人員不能關(guān)斷電機來訪問處理器的內(nèi)存，然后再次運行電機。使用示波器的限制因素是驅(qū)動器的實際信號通常與處理器測量的信號不同。測量的信號會受到所使用的傳感電路、測量噪聲以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏移和增益誤差等因素的影響。信號過濾會影響測量精度。使用示波器查看內(nèi)部變量也受到很大的限制。

　　FreeMASTER實時調(diào)試器旨在簡化電機控制應用的開發(fā)。FreeMASTER支持以完全非侵入式的方式監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)上運行的變量。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員可以在類似于示波器的顯示器上顯示隨時間變化的多個應用變量，或以文本形式查看數(shù)據(jù)。用戶還可以從PC主機上控制在目標系統(tǒng)上運行的嵌入式應用。基于HTML的數(shù)據(jù)可視化區(qū)域具有高度可擴展性。在控制窗口中，用戶可以提供基于Active-X的儀表、刻度盤、旋鈕和滑動塊，以根據(jù)需要創(chuàng)建復雜或精美的自定義儀表盤。


圖4  FreeMASTER實時調(diào)試、監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化工具

　　飛思卡爾嵌入式軟件庫（FSLESL）是一個廣泛的算法集，專門針對高級電機控制應用的開發(fā)。通用功能庫（GFLIB）融合了數(shù)學、三角函數(shù)、查找表和控制功能。這些軟件模塊是基本的構(gòu)建單元。電機控制庫（MCLIB）涵蓋了矢量調(diào)制、轉(zhuǎn)換和用于構(gòu)建數(shù)字控制電機驅(qū)動器的特定的電機相關(guān)功能。通用數(shù)字過濾庫（GDFLIB）提供了過濾功能，可以實現(xiàn)信號調(diào)整。高級控制庫（ACLIB）涵蓋了實現(xiàn)永磁同步電機無傳感器控制的主要功能。

　　飛思卡爾嵌入式軟件庫算法進行了高度優(yōu)化，使用數(shù)十萬個測試矢量進行了測試，并且提供了良好的文檔記錄。它們使用可通過C語言調(diào)用的函數(shù)接口實現(xiàn)，因此十分易于使用。這些庫目前可供56800E/EX、ColdFireV1、CortexM4和Power Architecture平臺使用。這些算法大大加快了只需創(chuàng)建簡單應用的初學者的開發(fā)，同時也加快了需要處理復雜的實時動態(tài)系統(tǒng)的專業(yè)人員的開發(fā)，這類系統(tǒng)包括電機控制、電源轉(zhuǎn)換及其他實時嵌入式應用。

　　總之，由高級無傳感器算法控制的三相電機將越來越多地用于各種驅(qū)動器，包括家用電器。飛思卡爾提供了一套完整的專用數(shù)字信號控制器、豐富的工具鏈和必要的技術(shù)知識，支持在應用中實現(xiàn)這些復雜的控制算法，并快速、高效地實現(xiàn)所需的性能。