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計(jì)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(fèi)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(jì)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(shí)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(jià)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(shí)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(gè)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(jì)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(jì)算出向定子相位繞組上加載電壓的最佳時(shí)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(shí)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(jì)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(qiáng)配置,例如英飛凌技術(shù)公司的XC800系列就具備了實(shí)現(xiàn)更高性價(jià)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(gè)兼容8051的處理器內(nèi)核和一個(gè)強(qiáng)大的片上處理單元——矢量計(jì)算器,該計(jì)算器能夠同時(shí)對矢量數(shù)據(jù)(一維陣列)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算操作(如圖2所示)。該矢量計(jì)算器由多個(gè)處理單元組成,包括一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算(CORDIC)單元和一個(gè)乘/除法運(yùn)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(shí),它能夠執(zhí)行16位的數(shù)學(xué)運(yùn)算。


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

  該CORDIC內(nèi)置了一個(gè)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(jì)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(dú)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(yùn)算,可以用來代替標(biāo)準(zhǔn)的8051MUL/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(diǎn)和浮點(diǎn)指令的數(shù)學(xué)運(yùn)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(jì)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(shí)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(shí)間,實(shí)現(xiàn)了快速而精確的電流測量。

  將片上運(yùn)算單元和外設(shè)集成在一起實(shí)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(shí)現(xiàn)方式不同的是,集成了矢量計(jì)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(gè)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(gè)集成了矢量計(jì)算器的MCU、三相功率轉(zhuǎn)換板、24VBLDC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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能。英飛凌還為用戶提供了包含免費(fèi)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(gè)工具包實(shí)現(xiàn)下一階段的應(yīng)用研發(fā)和定制。

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