如今越來越多的電器制造商采用變速永磁(PM)同步電機來提高能效、增加產品特性。工業(yè)驅動器制造商很早就認識到PM電機具有高能效和高功率重量比，但控制電子技術的最新進展才使得PM電機被電器制造商廣泛采納。
只需采用直流環(huán)節(jié)電流反饋技術的定向控制(FOC)可最小化系統(tǒng)成本，對電器驅動器應用非常有吸引力。電機的正弦控制可產生平滑的扭矩輸出，輸出的聲學噪聲很低。因此，FOC適合用在風扇、水泵、洗衣機和干衣機等低噪聲和高能效非常重要的設備中。
空調和洗衣干衣機等許多電器設備必須獨立控制兩個電機的速度，以優(yōu)化它們的性能。這些系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)方法是使用帶串行通信鏈路的電機控制處理器來實現同步。但是，如果用一個器件控制兩個電機，就可以大大簡化硬件和系統(tǒng)設計。最近推出的電器控制平臺可僅利用直流母線電流反饋技術同時控制兩個PM交流電機，該芯片采用嵌入式FOC算法，可縮短開發(fā)時間，并推動電器制造商快速采納這種技術。
無傳感器電機控制算法的實現
FOC在工業(yè)驅動系統(tǒng)中很常見，它一般采用編碼器或分解器測量轉子的位置。閉環(huán)電流控制算法利用轉子的角坐標校正電機電流和轉子磁通，從而實現扭矩輸出的最大化。電器控制系統(tǒng)中先進的轉子位置估算算法無需使用高分辨率位置傳感器(圖1)。
圖1：定向控制(FOC)系統(tǒng)通過使用直流環(huán)節(jié)電流反饋技術消除了對位置傳感器的需求。
估算算法根據采用繞組電壓和電流的電機模型，獲得PM的轉子磁通位置。這種方法非常合適，因為轉子上的磁體決定了轉子磁通的位置。繞組電流測量數據是利用基于功率變換器的狀態(tài)知識的正確的ADC采樣時序，從直流環(huán)節(jié)電流中獲得的。系統(tǒng)框圖表明，繞組電流測量數據和繞組電壓驅動值是計算轉子角位置和角速度的轉子磁通模型的輸入。扭矩和磁通控制環(huán)路不僅能在較低速度范圍內實現最大的扭矩輸出，還可以實現弱磁下的高速操作。
在第一代FOC電機驅動系統(tǒng)中，這些功能是由模擬和數字器件的組合電路實現的。如今，這些電機驅動系統(tǒng)中的大部分已采用高速DSP或RISC處理器在單個器件上實現相關算法。軟件實現不僅帶來了靈活和硬件簡單的優(yōu)點，也給驅動系統(tǒng)開發(fā)人員帶來重要的軟件開發(fā)任務。生成控制算法的軟件代碼需要許多步驟。第一步，系統(tǒng)工程師將控制原理圖轉換成代表各種控制功能的微分方程組。第二步，軟件工程師將這些微分方程轉換成代表處理器執(zhí)行指令的C代碼。這個過程出錯，從而延長開發(fā)時間，除非代碼具有很好的結構和文檔，并有長期軟件維護小組。RISC處理器和DSP供應商可以提供一整套FOC軟件實例來幫助電機驅動公司加快開發(fā)進程。這是很有可能的，因為FOC控制技術非常成熟，所以算法結構也可以定義得非常完善。然而，軟件實現在目前是沒有特別優(yōu)勢的，因為算法結構的靈活性不是必需的。
控制系統(tǒng)設計工程師可以利用數字ASIC或FPGA技術，以硬件方式實現FOC算法。開發(fā)過程的第一步與軟件方法沒太大區(qū)別，但在第二步中不再使用C代碼，而是由硬件工程師將微分方程轉換成代表邏輯門互連的Verilog代碼。這種設計可以在控制寄存器中定義并存儲控制參數，以提供靈活性，但在數字ASIC中實現算法結構的硬連線。這種方法在要求高速處理的電信系統(tǒng)中非常普遍，許多電機控制ASIC可以實現FOC和其它電機控制功能。這種方法的優(yōu)點不僅在于執(zhí)行速度，還在于它能顯著縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。
運動控制引擎(MCE)則提供另一種方法，該方法兼有專用ASIC硬件的高速性能和可編程處理器的靈活性。這種方法特別有效，因為FOC算法使用了許多標準函數，比如誤差放大器、比例積分(PI)補償器，以及會多次出現在控制電路中的矢量旋轉器。MCE由硬件電機控制函數庫組成，通過將輸入和輸出存儲器地址分配給相應的系統(tǒng)變量，可高效地實現運動控制定序器與這些函數的互連。
控制系統(tǒng)工程師不需要將控制原理圖轉換成微分方程組，因為在MCE庫中具有經過充分優(yōu)化的ASIC實現。相反，控制系統(tǒng)工程師采用原理圖編輯工具，以圖形化的方式通過互連運動控制庫中的標準函數來確定控制原理圖。圖形化編譯器將控制原理圖轉換成用于互連硬件控制函數的MCE定序器命令。編譯器將MCE的共享RAM區(qū)中的各個地址，分配給控制節(jié)點定義的每個算法變量。MCE定序器命令定義每個控制函數塊以及輸入輸出變量的存儲器地址。因為MCE將這些命令存儲在存儲器中，所以具有與RISC處理器和DSP一樣的靈活性。
PWM開關頻率設置算法執(zhí)行的時序、ADC采樣率和輸出電壓的更新速率。MCE庫元件代表空間矢量調制器和ADC輸入，但它們在控制原理圖中只出現一次，因為它們與物理的輸入輸出引腳相對應。另一方面，矢量旋轉器或PI補償器等MCE庫控制函數可以多次出現在控制算法中，因為MCE將它們的輸入輸出存儲在數據存儲器中。庫函數的每次實例化都會占用數據存儲器空間來存儲變量和MCE指令，因此存儲器容量限制了算法的復雜性。每個庫函數在每次執(zhí)行時都會占用一定的系統(tǒng)時鐘周期，因此控制環(huán)路總的時鐘周期數必須小于PWM周期中的時鐘周期數。
轉子角度估算器和電流控制環(huán)路大約要消耗1,400個系統(tǒng)時鐘周期，相當于128MHz最大系統(tǒng)時鐘頻率下的11μs時間。這樣，在相當于20kHz開關頻率的50μs PWM周期下，可以同時實現對兩個電機的控制。當然，為控制兩個電機，芯片需要兩套空間矢量PWM調制器和用于電流采樣的額外模擬輸入端。圖2是一個雙電機控制IC的結構圖，它包含嵌入式運動控制引擎和用于執(zhí)行應用層代碼的8位微控制器內核。這種方法的優(yōu)勢是它能將在微控制器上執(zhí)行的慢速系統(tǒng)級功能與MCE執(zhí)行的高速電機控制算法分隔開來。
圖2：包含用來執(zhí)行應用層任務的8位微控制器的雙電機控制芯片
MCE庫函數
高速執(zhí)行控制算法的關鍵是MCE庫函數在ASIC中的實現效率。兩個重要的反饋控制單元(PI控制補償器和矢量旋轉塊)可以作為庫函數的典型例子。ASIC實現需要優(yōu)化硅片和時鐘周期的使用，并同時不犧牲魯棒性和可靠性。
圖3：比例積分(PI)控制補償器可高效地使用MCE硬件資源和時鐘周期
眾所周知的PI控制補償器的ASIC實現(圖3)基于連續(xù)時域轉移函數：
將這個表達式轉換到離散時間域就可以產生一組定義ASIC實現的微分方程：
為保持低輸入電平時的精度，并將輸出重新調節(jié)到16位變量，積分項的總和具有32位分辨率。抗飽和模塊可以在輸出達到系統(tǒng)的物理極限時，防止積分項飽和。
矢量旋轉模塊是一個二維矩陣函數，用來實現旋轉和固定參考系之間的電壓轉換。前向旋轉具有正弦和余弦項：
有多種三角恒等式可以將正弦和余弦項的運算簡化為0到90?范圍的正弦函數運算,但根據可用硬件的不同，該項的運算會有所變化。在一些微控制器實現中，快速乘法函數的缺乏將迫使軟件開發(fā)人員依賴簡單的查找表。在具有單周期乘法指令的DSP或RISC處理器中，可用泰勒展開式計算正弦函數。
針對基于一系列加法、減法和移位函數，僅在13個周期內就可實現12位精度的ASIC實現，開發(fā)被稱為CORDIC算法的矢量旋轉函數(圖4)。這種運算要比在32位RISC處理器上使用泰勒展開式進行運算快10倍。
圖4：CORDIC算法計算矢量旋轉的速度比使用泰勒展開式的方法快一個數量級
簡化電機控制
盡管可能存在許多種配置，但圖5所示的采用單個控制IC操作雙電機平臺的配置是最高效的。這種配置不僅能消除用來控制第二個電機的第二個IC(該IC導致了不必要的冗余設計)，還使得兩個電機的復雜接口設計成為可能。例如，當一個電機發(fā)生故障(比如短路或閉鎖)，第二個電機可以立即像反射動作一樣被去激勵，從而減少與主控制系統(tǒng)通訊相關的延遲。以空調應用為例，壓縮機電機的速度和蒸發(fā)器風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寄存器設置電機速度，并避免多個IC之間的復雜通訊。
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圖5：通過單個平臺提供的雙電機控制可以消除冗余硬件和對兩個分離控制器之間的復雜通訊鏈路的需求，并能實現兩個電機之間的復雜接口。
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