高性價比電機(jī)驅(qū)動器的能耗解決方案

計算應(yīng)用的發(fā)展引起了人們對電子產(chǎn)業(yè)如何減少能耗的廣泛關(guān)注和討論。根據(jù)電力研究協(xié)會（EPRI）的研究，機(jī)械傳動類應(yīng)用，包括電機(jī)驅(qū)動、消費類白色家電和工業(yè)用機(jī)器的能耗占全球電力消耗總量的50%以上，因此這一領(lǐng)域成為新的低能耗設(shè)計的首要目標(biāo)。

除了能耗管理IC之外，這類機(jī)械傳動控制應(yīng)用的解決之道在于采用MCU形式的智能芯片。MCU能夠以更高的效率、更低的成本進(jìn)行電機(jī)管理，加速從機(jī)電控制到電子控制的轉(zhuǎn)變過程，實現(xiàn)變速電機(jī)（VSM）的控制。

MCU控制的無刷直流（BLDC）電機(jī)相比傳統(tǒng)的直流電機(jī)具有更高的效率、很高的力矩-慣性比、較高的速度性能、較低的噪聲、較好的熱效率和較低的EMI指標(biāo)。智能電機(jī)的效率可以超過95%，而感應(yīng)式電機(jī)只有85%。而且，在很多應(yīng)用中，相比恒速電機(jī)，MCU控制的可變速BLDC電機(jī)能夠節(jié)省25%～40%的能耗。

BLDC電機(jī)的能效

用于電機(jī)控制的高性價比MCU的出現(xiàn)也引起了傳統(tǒng)電機(jī)制造商和應(yīng)用廠商的關(guān)注，促使他們重新比較和考慮VSM的一些特殊控制技術(shù)。利用傳統(tǒng)的標(biāo)量控制方法實現(xiàn)VSM要求制造商增大電機(jī)的尺寸，以容納大的瞬態(tài)電壓或峰值電壓。

為了避免增大電機(jī)而帶來的成本，制造商開始尋求采用磁場導(dǎo)向控制（FOC）（也稱為矢量控制）技術(shù)來縮小電機(jī)的尺寸。FOC技術(shù)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性、較高的功率密度和較低的轉(zhuǎn)矩波動，這些都有助于提高系統(tǒng)的效率。此外，F(xiàn)OC不需要位置傳感器，只需要一個分路電阻器，從而降低了制造成本，提高了可靠性。

磁場導(dǎo)向控制技術(shù)通過改變定子繞組中的電流，使電機(jī)中的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場保持90的角度。盡管我們已知系統(tǒng)中定子磁場的角度，但是還必須測量或估算出轉(zhuǎn)子磁場的角度，以便計算出二者之間的角度差。

當(dāng)判斷出轉(zhuǎn)子磁場的角度之后，矢量控制算法就可以計算出向定子相位繞組上加載電壓的最佳時機(jī)和大小。由于這類矢量控制算法都是數(shù)據(jù)密集型算法，因此目前常見的無傳感器FOC實現(xiàn)方案都采用了16位或32位的MCU、DSP或DSC處理器，用于處理復(fù)雜的三角函數(shù)方程。

此外，為了確保所需的精度，還需要在系統(tǒng)中內(nèi)置查找表，這需要采用大容量的閃存和復(fù)雜的軟件算法，以處理電流計算、矢量旋轉(zhuǎn)、空間矢量調(diào)制和比例積分控制等方面的問題。這些因素都會增大控制系統(tǒng)的成本。
新推出的8位微控制器在體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了特殊的增強配置，例如英飛凌技術(shù)公司的XC800系列就具備了實現(xiàn)更高性價比FOC系統(tǒng)所需的硬件功能（如圖1所示）。

圖1 內(nèi)含專用模塊的低成本8位控制器提供了磁場導(dǎo)向電機(jī)控制所需的全部功能

低成本8位FOC解決方案

具有FOC功能的MCU內(nèi)部集成了一個兼容8051的處理器內(nèi)核和一個強大的片上處理單元――矢量計算器，該計算器能夠同時對矢量數(shù)據(jù)（一維陣列）執(zhí)行多個計算操作（如圖2所示）。該矢量計算器由多個處理單元組成，包括一個坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）單元和一個乘/除法運算單元，當(dāng)與16位的采集/比較單元和快速片上A/D轉(zhuǎn)換器配合使用時，它能夠執(zhí)行16位的數(shù)學(xué)運算。

圖2 一款具有FOC功能的MCU，內(nèi)部集成了一個8051兼容內(nèi)核和一個強大的能夠同時對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行多個計算操作的片上處理單元

該CORDIC內(nèi)置了一個容量很小的查找表，利用加法、減法和移位操作能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)和三角函數(shù)的迭代計算，例如Clarke和Park算法。CORDIC的輸出結(jié)果可達(dá)16位的精度，它的功能基本上與CPU核是相互獨立的，從而為其他控制任務(wù)節(jié)省了資源開銷。

乘除法單元可以執(zhí)行16位和32位的數(shù)學(xué)運算，可以用來代替標(biāo)準(zhǔn)的8051 MUL/DIV指令。要想進(jìn)一步縮小閃存容量，提高訪問速度，我們還可以在自舉ROM中加入定點和浮點指令的數(shù)學(xué)運算庫。

如前所述，F(xiàn)OC算法的主要目標(biāo)是確保定子的磁場與轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體的磁場保持垂直的方向。它們的關(guān)系是通過一次分路電流的測量而估計出來的，這種測量需要用相應(yīng)的PWM模式快速觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器。在智能PWM單元CapCom6E和A/D轉(zhuǎn)換器之間，采用基于事件的硬件觸發(fā)器可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。這種基于事件的觸發(fā)器消除了中斷等待時間，實現(xiàn)了快速而精確的電流測量。

將片上運算單元和外設(shè)集成在一起實現(xiàn)FOC的方式為其他使用低成本8位MCU的系統(tǒng)控制功能節(jié)省了充分的資源。例如，在15kHz的PWM頻率和133μs的電流測量速度下，F(xiàn)OC控制功能僅僅占用了58%的CPU性能，為其他專用功能提供了很大的余量。與硬編碼FOC實現(xiàn)方式不同的是，集成了矢量計算器的MCU具有軟件可重編程能力。我們可以利用這一功能，通過構(gòu)造一個程控斜面或者采用減弱磁場的方法（例如減弱FOC算法的ID組件），優(yōu)化電機(jī)的啟動過程。

無傳感器FOC的評估

利用FOC驅(qū)動應(yīng)用工具包可以對基于8位MCU的無傳感器FOC進(jìn)行評估。該工具包包含一個集成了矢量計算器的MCU、三相功率轉(zhuǎn)換板、24V BLDC電機(jī)、插入式電源和全部完整的FOC源碼。

此外，通過CAN-USB橋可以下載十六進(jìn)制的代碼，這樣就可以在電機(jī)工作過程中修改電機(jī)速度、電流控制等電機(jī)參數(shù)，實現(xiàn)實時控制功能。英飛凌還為用戶提供了包含免費工具鏈在內(nèi)的一整套開發(fā)環(huán)境，幫助用戶利用同一個工具包實現(xiàn)下一階段的應(yīng)用研發(fā)和定制。