電機控制的技術(shù)趨勢及開發(fā)挑戰(zhàn)

1   電機控制的三大趨勢解析

在電機控制領(lǐng)域有三大主要趨勢，它們呈現(xiàn)出并駕齊驅(qū)的態(tài)勢。這三大趨勢分別是：提高能效（綠色倡議）、完善功能安全（最早適用于家電應(yīng)用，現(xiàn)在應(yīng)用范圍已擴大），當然還有一直以來的降低成本趨勢。無論對消費者、Microchip 還是整個世界而言，這三大趨勢都極為有利。

據(jù)估計，電機控制所消耗的電力約占全球電力產(chǎn)能的三分之一。隨著能源成本的不斷增加，電機控制自然而然成為了提高效率的目標。這就促使應(yīng)用從BDC 演變?yōu)锽LDC 再到PMSM，最終發(fā)展至IPM 電機，以便在消費品、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中實現(xiàn)更高的能效。甚至在汽車領(lǐng)域，提升燃油效率或延長電動汽車（EV）一次完全充電的行駛距離，這樣的趨勢，也在推動從低成本BDC 到高效BLDC 電機的轉(zhuǎn)變。

當然，這也意味著控制算法必須改變才能保持同步。作為BLDC 電機的簡單六步換相或交流感應(yīng)電機（ACIM）的伏特/ 赫茲算法的替代，您需要使用磁場定向控制（FOC）算法來運轉(zhuǎn)這些電機，這種算法可優(yōu)化電機的轉(zhuǎn)矩輸出，從而最大限度地提高能效。

現(xiàn)在，即便使用標準FOC 算法也不足以滿足要求。例如，有一種適用于FOC 的附加算法，可最大程度提高每安培的轉(zhuǎn)矩（MTPA）。這種算法用于IPM 電機。FOC 中加入了另一項功能，稱為零速/ 最大轉(zhuǎn)矩（ZS/MT），可在啟動或低速狀態(tài)時最大程度提高電機轉(zhuǎn)矩。它有助于從霍爾傳感器轉(zhuǎn)向FOC。幸運的是，Microchip 的電機控制應(yīng)用工程師們擅長幫助客戶在應(yīng)用中實現(xiàn)此類高級FOC 解決方案。

功能安全這一趨勢始于家用電器，但在大約10 年前，隨著ADAS應(yīng)用的開發(fā)，汽車領(lǐng)域也開始重視功能安全，很快醫(yī)療應(yīng)用也對安全性提出了很高要求。家電和工業(yè)應(yīng)用均需符合IEC 60730 B 類設(shè)備的要求。在汽車領(lǐng)域，該規(guī)范稱為ISO 26262 ASIL B、C或D。而對于醫(yī)療應(yīng)用，則適用于IEC 61508 SIL 2/SIL 3 規(guī)范。

這些功能安全規(guī)范在不斷發(fā)展演變。他們在開始時需要利用軟件診斷程序或硬件電路來發(fā)現(xiàn)可能造成人身傷害的故障?，F(xiàn)在，他們將安全性貫穿于整個設(shè)計過程（甚至包括公司的組織形式），以此來控制電氣元件的開發(fā)過程，為這一流程提供支持。Microchip 現(xiàn)在根據(jù)此ISO 流程設(shè)計出新的電機控制芯片，并向客戶提供功能安全診斷庫和用戶指南等附加產(chǎn)品，幫助他們實現(xiàn)安全合規(guī)性。

降低成本是第三大趨勢，它既沒有開始，也不會結(jié)束?？蛻粝Ｍ心軌蛞宰畹蛢r格滿足其需求的選擇，而制造商理所當然地希望將其利潤最大化。像Microchip這樣的半導(dǎo)體制造商，其最終目標是推動技術(shù)幾何結(jié)構(gòu)逐漸變小，增加每個硅晶圓上的管芯數(shù)量，從而在競爭中取勝。

這必然是一個艱難的過程，但也有很多好處。采用的技術(shù)越新，制作出的新芯片的性能水平就越高，閃存程序存儲器和數(shù)據(jù)SRAM 存儲器就越大，數(shù)字和模擬外設(shè)的功能也更強，這不僅完善了電機控制本身，同時還提高了整個應(yīng)用的功能性。憑借新的特性和功能、更高的運行效率和更強的功能安全性以及比以往更低的價格，助力客戶取得成功。

Microchip 16位單片機業(yè)務(wù)部 資深戰(zhàn)略營銷經(jīng)理 Patrick Heath

2   工程師在開發(fā)中遇到的困難

電機控制應(yīng)用開發(fā)的主要困難之一是需要一個設(shè)計出色的電機控制開發(fā)板。它必須能夠處理電機產(chǎn)生的電壓和電流，并且鍍銅層要足以吸收由MOSFET 在高頻（通常為20 kHz）下開關(guān)產(chǎn)生的熱。既不能將其用金屬線纏繞，也不能接到電路試驗板上。

幾年前，我去拜訪了一家客戶，他們當時正嘗試對低電壓電子換相風扇電機應(yīng)用進行調(diào)試。他們可以啟動電機和風扇，但運轉(zhuǎn)幾秒后就會停轉(zhuǎn)。他們連上了調(diào)試器，試圖找出發(fā)生的問題。他們發(fā)現(xiàn)，我們的dsPIC^?電機控制DSC 上的CPU 由于在客戶代碼中的隨機位置執(zhí)行了非法指令而停止。他們希望我能幫助找出電機控制芯片出了什么問題。

我到達時，本打算去一個實驗室，但卻被帶到一間普通的會議室，他們在那里運行電機。令我驚訝的是，他們沒有使用PCB（印制板），而是將dsPIC 電機控制DSC 和逆變器組件安裝到了電路試驗板上，并在周圍布滿了跳線來連接電路。

由于未使用具有合適接地層的真正PCB，電機產(chǎn)生的電氣噪聲被耦合到了電機控制器芯片中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)遭到破壞，而這一錯誤被非法指令異常陷阱所捕獲。工程師們認為，調(diào)試電路后再進行布線及生產(chǎn)PCB 可以節(jié)省時間。

電機控制和數(shù)字電源應(yīng)用也可能比其他類型的嵌入式控制更加危險。當然，這取決于您執(zhí)行的電機控制類型。如果只是用于消費類玩具或汽車應(yīng)用的簡單低電壓BDC 電機，那么它在開路控制中旋轉(zhuǎn)并不困難，也沒有足夠的功率消耗從而造成麻煩。

但是，我們所看到的大多數(shù)客戶應(yīng)用都是針對三相BLDC 或PMSM 電機控制。這些可以是用于汽車的低電壓12 V 電機。商業(yè)應(yīng)用通常使用更高的電壓，例如用于鉆頭或其他電動工具的電壓為18 V，而工業(yè)機械和泵則通常使用24 V 電壓。我們還曾將96 V 電機用于踏板車。

您還需要考慮這些電機可能消耗的電流。它們的電流可以低至幾安培，但也可以高很多。例如，電鉆可以在不到1 s 的時間內(nèi)從電池組中消耗100 A 的電流。即便我們以一個較小的電流為例，比如10 A。在12 V 電機上，這相當于120 W的標稱功率，并且可能高出很多！

在電機控制中有這樣一種情況，電機正在快速旋轉(zhuǎn)，而您決定快速使其減速。有時將這種情況稱為四象限控制。這種情況下，會產(chǎn)生大量能量，流過逆變電路的高電流導(dǎo)致電壓為正常電壓的兩倍，而您知道此電路無法處理如此大的功率。您會發(fā)現(xiàn)MOSFET 可能會變成煙花，然而這可不是應(yīng)該興奮的事情，并且您肯定不希望在發(fā)生這種情況時站得離電路板太近。

Microchip 了解客戶希望從開發(fā)階段快速轉(zhuǎn)入產(chǎn)品上市階段。對于尚未自行制作硬件的客戶，我們提供標準的低電壓和高電壓開發(fā)板，用于三相電機控制。我們甚至轉(zhuǎn)售適合開發(fā)板的庫存演示電機?？蛻艨梢韵仁褂梦覀兊拿赓M應(yīng)用筆記軟件，或使用我們的motorBench^?開發(fā)套件FOC 圖形用戶界面（GUI）生成軟件，獲得現(xiàn)成的工作解決方案，使他們在數(shù)分鐘內(nèi)安全地使電機旋轉(zhuǎn)。不會出現(xiàn)煙花或非法操作代碼陷阱！

3   Microchip的解決方案

在Microchip，我們專注于簡化客戶的電機控制開發(fā)流程。讓客戶能夠更快速、更輕松地使電機旋轉(zhuǎn)，從而有更多時間專注于他們的應(yīng)用需求，并且能縮短整個開發(fā)周期。為客戶提供原型設(shè)計所用的電機控制開發(fā)板只是該流程的一半。另一半是軟件開發(fā)。

過去，為了讓客戶啟動電機控制項目，我們?yōu)樗麄兲峁┝擞糜诳刂扑惴ǖ膽?yīng)用筆記和演示代碼，該算法在dsPIC33 電機控制器以及使用我們的一臺庫存演示電機的一個電機控制開發(fā)板上運行。對于相對簡單的控制算法，例如6 步換相、無傳感器BEMF 甚至是帶滑模觀測器（SMO）的簡化FOC，這種方法十分有效。利用這些算法，只需調(diào)整新電機和負載的少量調(diào)節(jié)參數(shù)，而借助調(diào)節(jié)指南，我們可以輕松指導(dǎo)工程師完成整個過程。

客戶通?？梢栽诙潭處讉€小時內(nèi)使電機旋轉(zhuǎn)起來，這樣便有時間關(guān)注應(yīng)用需求。

目前，我們的大多數(shù)dsPIC33 電機控制客戶都希望在使用PLL 估算器運行FOC 的同時，還能運行其他幾種算法。這包括：啟動時檢測轉(zhuǎn)子位置的初始位置檢測（IPD）軟件、可最大程度提高電機轉(zhuǎn)速的弱磁（FW）算法、用于最大程度提高電機轉(zhuǎn)矩輸出的每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA）、用于支持較低電機轉(zhuǎn)速的死區(qū)時間補償（DTC）算法、用于減少母線電容量（以節(jié)省成本）的過調(diào)制（OM）算法、可平穩(wěn)啟動自由旋轉(zhuǎn)電機的風車（WM）算法，以及能使電機安全地快速降速和停止的主動制動（AB）?？蛻敉ǔＯＭ芑旌鲜褂眠@些附加算法并將部分組合與其主要FOC 算法相匹配。此外，這些附加算法還有各種選項可供選擇。這極大地提高了解決方案的復(fù)雜程度，遠遠超出了獨立演示代碼項目及調(diào)節(jié)指南所能涵蓋的范圍。

Microchip 的dsPIC33 電機控制團隊幾年前就已開始著手解決這一問題。他們創(chuàng)造出一個FOC 軟件工具，這款名為motorBench^? 開發(fā)套件的GUI，與稱作電機控制應(yīng)用框架（MCAF）的軟件框架協(xié)同工作，可針對特定電機生成FOC 代碼。用戶可利用motorBench 工具配置主要FOC 算法的工作方式。例如，您可以選擇使用PLL 或角度跟蹤PLL（AT-PLL）估算器，或者使用外部增量（光學(xué)）編碼器來提供轉(zhuǎn)子位置反饋。可以選擇和配置三種不同的電機啟動算法選項。此外，還可以選擇和配置附加算法的選項。

每個電機都具有獨特的電氣特性！這意味著必須為每個電機和負載定制FOC 參數(shù)。為此，motorBench 工具首先執(zhí)行一個我們稱之為自調(diào)試（SC）的過程。此過程可以測量電機的幾個關(guān)鍵電氣參數(shù)，例如定子電阻（Rs）、轉(zhuǎn)矩（Ld）和磁通量（Lq）的電感以及電機的反電動勢（BEMF）。還可以在電機有負載的情況下測量一些機械參數(shù)，包括靜摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子慣性和黏性阻尼。

收集有關(guān)電機和負載的信息之后，motorBench 工具可以轉(zhuǎn)至下一步，繼續(xù)運行電機及調(diào)節(jié)三個比例積分（PI）控制回路（FOC 的基本構(gòu)成要素）：轉(zhuǎn)速、Id（轉(zhuǎn)矩）和Iq（磁通量）。這三個PI 回路的參數(shù)會自動調(diào)節(jié)，但用戶也可以使用motorBench 開發(fā)套件手動調(diào)整系數(shù)，以調(diào)節(jié)控制回路的帶寬，使之更適合其應(yīng)用。

完成調(diào)節(jié)后，MCAF 會生成代碼，代碼會放置到項目文件中，隨后可將這些代碼下載并燒寫到dsPIC^?數(shù)字信號控制器（DSC）上的閃存程序存儲器中，使電機旋轉(zhuǎn)。整個過程需要大約5 到10 分鐘完成。如果不使用motorBench 工具，整個過程可能需要由數(shù)名工程師花費數(shù)周甚至數(shù)月的時間才能完成，而且這還只是基本的FOC 算法，不包含任何附加算法。要手動將這些附加算法集成到基本FOC 中也相當困難。使用motorBench 工具確實能夠幫助用戶節(jié)省大量時間和精力，使他們有時間專注于實現(xiàn)其應(yīng)用代碼以及更快地將產(chǎn)品推向市場。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年3月期）