設計高性能和低功耗的電機控制系統(tǒng)

數(shù)字電機控制的首次推出旨在克服傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)在處理漂移、組件老化和由溫度引起的變化等方面的挑戰(zhàn)。靈活的軟件算法不僅消除了與組件有關的容差問題，還使開發(fā)者能夠動態(tài)地適應環(huán)境條件隨著時間的變化。例如，使用數(shù)字化實施現(xiàn)在不僅能夠完全打開或關閉風扇電機，還能根據(jù)系統(tǒng)溫度調整風扇速度。此外，系統(tǒng)還能夠自行校準，從而不需要安排常規(guī)的手動維護。

本文概述了電機控制設計方面的事項，例如多個電機控制、磁場定向控制、功率因數(shù)校正和傳感器控制。此外還介紹了當今的微控制器(MCU)如何使各種廣泛的應用具有更大精度、更小功耗和更低成本。

當今的微控制器(MCU)可使各種廣泛的應用具有更大精度、更小功耗和更低成本，包括：

● 帶有風機和壓縮機的白色家電和設備，例如洗衣機和冰箱

● HVAC（取暖、通風和空調）系統(tǒng)

● 用于電機控制、電源逆變器和機器人的工業(yè)伺服驅動

● 汽車控制系統(tǒng)，包括動力轉向、防鎖死剎車和懸架控制

TI了解開發(fā)者在設計這些高性能電機控制系統(tǒng)時面臨的挑戰(zhàn)。制造商尋求引入先進的控制算法以實現(xiàn)產品差異化，而日益增加的政府法規(guī)要求更高效的功耗和減少EMI。

為了幫助開發(fā)人員應對這些多種多樣的挑戰(zhàn)，TI提供了TMS320C2000 Piccolo MCU系列。Piccolo MCU具有優(yōu)化的架構，集成了專用外設，能夠：

● 使用實時算法獲得更精確的控制

● 通過功率因數(shù)校正(PFC)獲得更高的功效和更好的控制

● 支持通過單芯片控制多個電機

● 通過無傳感器控制簡化設計

● 降低系統(tǒng)復雜性和成本

Piccolo的優(yōu)點Piccolo MCU利用TI的高性能TMS320C28x內核，提供以單一獨立控制器控制系統(tǒng)所需的所有性能和外設。通過充足的余量和專用外設，Piccolo MCU使開發(fā)者能夠實現(xiàn)更先進的控制算法，在進一步提高性能的同時降低系統(tǒng)成本。

Piccolo架構已針對數(shù)字控制應用進行了優(yōu)化，具有先進的架構特性，增強了高速信號處理能力。Piccolo的主CPU內核具有單周期32×32位乘法及累積單元等內置DSP功能，大幅度提高了計算速度。此外，諸如ADC和PWM等控制外設設計得非常靈活，能夠輕松適應幾乎任何用途，而需要的軟件開銷極小。例如，模數(shù)轉換器所具有的自動序列發(fā)生器允許開發(fā)者進行編程，以循環(huán)通過特定次序的樣本，這樣當應用程序需要時值已就緒。使用更智能的控制外設和強大的CPU內核，控制環(huán)路運行更緊密，既改進了控制算法的動態(tài)特性，又減少了干擾行為。

TMS320F2803x和F2806x Piccolo MCU上集成的控制律加速器(CLA)是一個32位浮點數(shù)學加速器，它能有效承載主CPU內核的高速控制環(huán)路。CLA在不經過CPU內核的前提下通過對外設的直接訪問和響應外設中斷的能力實現(xiàn)此過程。與獨立內核相似，CLA有自己的指令集和內存空間，可以完全獨立于CPU進行操作。

其他重要的Piccolo MCU特性包括：

● 3.3-V單電源支持全部功能的運行

● 雙內部高精度振蕩器；無需外部晶體

● 12位A/D轉換器具有16通道，最大采樣頻率為每秒4.6兆樣本

● 多達19通道的PWM輸出，具有可配置自動死區(qū)

● 19個PWM通道中有多達8個可以在高分辨率模式下工作，其可以低至150皮秒

● 增強型正交編碼器脈沖(QEP)和增強型捕捉外設(eCAP)可以簡化傳感器解碼

精確和準確控制

Piccolo架構提供極佳的處理功能，達每秒4000至8000萬條指令(MIPS)。這樣的高性能使開發(fā)者不僅能夠同時監(jiān)視和控制多個電機，還能夠執(zhí)行更復雜的控制算法以實現(xiàn)更高的精度、更流暢的性能和更低的功耗。例如，單一Piccolo MCU能夠在控制兩個電機的同時維持有源PFC控制，并且仍然有足夠的處理能力來執(zhí)行高級電機控制算法，例如無傳感器的磁場定向控制(FOC)。

脈寬調制(PWM)在產生供應給電機或高性能電源的電壓或電流中發(fā)揮重要的作用?？刂扑惴ǖ淖钚赂倪M使開發(fā)人員能夠實施高度精確的算法，以提供與系統(tǒng)行為實時變化相適應的動態(tài)控制。FOC具有很多優(yōu)勢，包括低速的全電機扭矩功能、出色的動態(tài)行為、跨越很大速度范圍的高效率、對扭矩和磁通的解耦控制、短期過載功能和四象限操作。但是，F(xiàn)OC也要求比標準的控制方案明顯更加復雜的計算。

圖1.如果組合Clarke和Park變換（如上述定義），我們可從三相旋轉域移至固定域：僅需實時控制DC數(shù)量。

圖2.定子電流矢量去耦為扭矩和通量分量，以執(zhí)行磁場定向控制。

FOC原理是通過對電機的相電流進行采樣來控制定子磁場的角度和振幅分量，然后進行轉換，使其易于控制。電機的三相電流通過ADC讀入系統(tǒng)。這些相電流處于三相旋轉域內，并使用Clarke變換將其轉換為二維旋轉域。由此，可使用Park變換將這兩個相位轉換到固定域內，如圖1所示。Clarke和Park變換可被可視化為彼此的矢量投影，如圖2所示。Park變換會產生通量分量Id和轉矩分量Iq。永磁電機的電機轉矩僅取決于轉矩分量Iq。因此，最便捷的控制策略即是將通量分量(Id)設置為零，這將最大限度地減少轉矩電流比并提高電機效率。電流分量的控制需要具備有關瞬時轉子位置的知識。轉子位置既可使用無傳感器技術計算，也可使用傳感器測量。由于Park變換的輸出位于固定域中，因此可使用PID回路等傳統(tǒng)技術進行控制。然后可將PID回路的輸出輸入到逆向Park、逆向Clarke中，然后直接輸入到電機驅動器。

圖3所示為完整的FOC電機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用無傳感器技術以獲取轉子位置。三相逆變器的ADCINx和ADCINy輸出是三個相電流之二；第三種很容易計算。如上所述，相電流從此處輸入Parke和Clarke變換中。此無傳感器系統(tǒng)根據(jù)三相電流的反饋使用“SMOPOS”和“SMOSPD”計算轉子位置，消除了使用昂貴傳感器的需求。

圖3.適用于永磁電機的完整磁場定向控制系統(tǒng)。