利用雙電機(jī)控制技術(shù)簡(jiǎn)化高能效電器設(shè)計(jì)

　　轉(zhuǎn)子角度估算器和電流控制環(huán)路大約要消耗1,400個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，相當(dāng)于128MHz最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下的11μs時(shí)間。這樣，在相當(dāng)于20kHz開關(guān)頻率的50μs PWM周期下，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電機(jī)的控制。當(dāng)然，為控制兩個(gè)電機(jī)，芯片需要兩套空間矢量PWM調(diào)制器和用于電流采樣的額外模擬輸入端。圖2是一個(gè)雙電機(jī)控制IC的結(jié)構(gòu)圖，它包含嵌入式運(yùn)動(dòng)控制引擎和用于執(zhí)行應(yīng)用層代碼的8位微控制器內(nèi)核。這種方法的優(yōu)勢(shì)是它能將在微控制器上執(zhí)行的慢速系統(tǒng)級(jí)功能與MCE執(zhí)行的高速電機(jī)控制算法分隔開來。

圖2：包含用來執(zhí)行應(yīng)用層任務(wù)的8位微控制器的雙電機(jī)控制芯片。

　　MCE庫函數(shù)

　　高速執(zhí)行控制算法的關(guān)鍵是MCE庫函數(shù)在ASIC中的實(shí)現(xiàn)效率。兩個(gè)重要的反饋控制單元(PI控制補(bǔ)償器和矢量旋轉(zhuǎn)塊)可以作為庫函數(shù)的典型例子。ASIC實(shí)現(xiàn)需要優(yōu)化硅片和時(shí)鐘周期的使用，并同時(shí)不犧牲魯棒性和可靠性。

圖3：比例積分(PI)控制補(bǔ)償器可高效地使用MCE硬件資源和時(shí)鐘周期。

　　眾所周知的PI控制補(bǔ)償器的ASIC實(shí)現(xiàn)(圖3)基于連續(xù)時(shí)域轉(zhuǎn)移函數(shù)：

　　將這個(gè)表達(dá)式轉(zhuǎn)換到離散時(shí)間域就可以產(chǎn)生一組定義ASIC實(shí)現(xiàn)的微分方程：

　　為保持低輸入電平時(shí)的精度，并將輸出重新調(diào)節(jié)到16位變量，積分項(xiàng)的總和具有32位分辨率?？癸柡湍K可以在輸出達(dá)到系統(tǒng)的物理極限時(shí)，防止積分項(xiàng)飽和。

　　矢量旋轉(zhuǎn)模塊是一個(gè)二維矩陣函數(shù)，用來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和固定參考系之間的電壓轉(zhuǎn)換。前向旋轉(zhuǎn)具有正弦和余弦項(xiàng)：

　　有多種三角恒等式可以將正弦和余弦項(xiàng)的運(yùn)算簡(jiǎn)化為0到90?范圍的正弦函數(shù)運(yùn)算,但根據(jù)可用硬件的不同，該項(xiàng)的運(yùn)算會(huì)有所變化。在一些微控制器實(shí)現(xiàn)中，快速乘法函數(shù)的缺乏將迫使軟件開發(fā)人員依賴簡(jiǎn)單的查找表。在具有單周期乘法指令的DSP或RISC處理器中，可用泰勒展開式計(jì)算正弦函數(shù)。

　　針對(duì)基于一系列加法、減法和移位函數(shù)，僅在13個(gè)周期內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)12位精度的ASIC實(shí)現(xiàn)，開發(fā)被稱為CORDIC算法的矢量旋轉(zhuǎn)函數(shù)(圖4)。這種運(yùn)算要比在32位RISC處理器上使用泰勒展開式進(jìn)行運(yùn)算快10倍。

圖4：CORDIC算法計(jì)算矢量旋轉(zhuǎn)的速度比使用泰勒展開式的方法快一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　簡(jiǎn)化電機(jī)控制

　　盡管可能存在許多種配置，但圖5所示的采用單個(gè)控制IC操作雙電機(jī)平臺(tái)的配置是最高效的。這種配置不僅能消除用來控制第二個(gè)電機(jī)的第二個(gè)IC(該IC導(dǎo)致了不必要的冗余設(shè)計(jì))，還使得兩個(gè)電機(jī)的復(fù)雜接口設(shè)計(jì)成為可能。例如，當(dāng)一個(gè)電機(jī)發(fā)生故障(比如短路或閉鎖)，第二個(gè)電機(jī)可以立即像反射動(dòng)作一樣被去激勵(lì)，從而減少與主控制系統(tǒng)通訊相關(guān)的延遲。以空調(diào)應(yīng)用為例，壓縮機(jī)電機(jī)的速度和蒸發(fā)器風(fēng)扇要求相互跟蹤以優(yōu)化工作效率，控制系統(tǒng)通過直接寫入MCE寄存器設(shè)置電機(jī)速度，并避免多個(gè)IC之間的復(fù)雜通訊。

圖5：通過單個(gè)平臺(tái)提供的雙電機(jī)控制可以消除冗余硬件和對(duì)兩個(gè)分離控制器之間的復(fù)雜通訊鏈路的需求，并能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)之間的復(fù)雜接口。