通過智能電機(jī)控制優(yōu)化實(shí)時(shí)性能與效率

　　反饋

　　高級控制機(jī)制的更高性能和復(fù)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(jìn)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(shí)施反饋。就采用 ACI 電機(jī)的應(yīng)用而言，可使用測速計(jì)直接測量速度。采用 PMSM 的設(shè)計(jì)方案則可使用編碼器或分解器對位置進(jìn)行跟蹤，同時(shí)可通過測量一定時(shí)間內(nèi)的位置變化來計(jì)算速度。傳感器確實(shí)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(shí)時(shí)電流與電壓的測量結(jié)果對電機(jī)的速度和角度進(jìn)行建模(也就是進(jìn)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(jìn)行可靠的測量)便宜得多，但實(shí)施數(shù)學(xué)電機(jī)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(jī)控制

　　當(dāng)前片上系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢改變了開發(fā)人員實(shí)施電機(jī)控制的方式?，F(xiàn)在，支持智能控制機(jī)制實(shí)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(jī)，同時(shí)仍能為功率因數(shù)校正 (PFC) 等其他高價(jià)值特性預(yù)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(jìn)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(jìn)而加快計(jì)算速度并簡化整體設(shè)計(jì);例如，控制律加速器 (CLA) 能完全承擔(dān)起整個閉環(huán) FOC 系統(tǒng)的處理任務(wù);除了可提升電機(jī)控制的精度之外，加速器還能提供更多的處理預(yù)留性能空間，使開發(fā)人員能夠通過抽象來簡化設(shè)計(jì)，實(shí)施更高級的算法和/或采用成本更低的 MCU。

　　● 電機(jī)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(jì)進(jìn)程;例如，高分辨率和已同步的 ADC 能讓 MCU 通過 CPU 獲取來實(shí)現(xiàn) ADC 采樣同步，以執(zhí)行時(shí)延極低的高準(zhǔn)確度電流測量;基于硬件的可編程 PWM 配合增強(qiáng)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(shí)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(jì)工作、減少組件數(shù)，并降低系統(tǒng)成本。

　　● 實(shí)時(shí)調(diào)試支持：電機(jī)控制應(yīng)用面臨的一個特殊挑戰(zhàn)，就是要在電機(jī)不間斷運(yùn)行的情況下，持續(xù)提供中斷的同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試;為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要讓基于硬件的實(shí)時(shí)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(jìn)行現(xiàn)場故障排除。

　　加速開發(fā)進(jìn)程

　　獲得設(shè)計(jì)與調(diào)試所需的軟硬件是最大限度加速開發(fā)進(jìn)程的關(guān)鍵。比方說，通用硬件平臺能幫助開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性，能針對不同應(yīng)用實(shí)現(xiàn)軟件的重復(fù)使用，如從簡單的電機(jī)應(yīng)用直到高端的高精度應(yīng)用等。此外，提供豐富電機(jī)控制庫的可視開發(fā)工具也能進(jìn)一步擴(kuò)展平臺的價(jià)值，使開發(fā)人員能夠?qū)F(xiàn)有框架進(jìn)行快速調(diào)諧以適用于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，從而實(shí)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(jìn)行快速調(diào)諧以適用于特定應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)高級別的設(shè)計(jì)。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(diǎn)上，開發(fā)人員能夠確認(rèn)目標(biāo)獨(dú)立的模塊、占空比以及 PWM 更新。此外，對電機(jī)表現(xiàn)建模的功能還可幫助開發(fā)人員在電機(jī)斷連時(shí)確認(rèn) PWM 操作，從而可避免意外熔斷。

　　開發(fā)人員通常可通過采用定點(diǎn) MCU 來降低系統(tǒng)成本，不過代價(jià)是要手動管理數(shù)學(xué)精度與分辨率問題。采用諸如 TI IQMath 等庫抽象化算法設(shè)計(jì)，算法代碼可在 MCU 以及應(yīng)用、控制機(jī)制與電機(jī)類型之間進(jìn)行移植。此外，抽象性還可簡化第三方電機(jī)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(jìn)代碼重復(fù)使用，而且即便在浮點(diǎn)與定點(diǎn) MCU 之間也可實(shí)現(xiàn)代碼的“上下”移動。

　　專為電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)類型與控制方法，就可選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄅc控制智能水平來構(gòu)建易于擴(kuò)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。