【導讀】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。
摘要
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(diào)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(diào)）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(qū)動
•汽車控制系統(tǒng)，包括動力轉(zhuǎn)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(chǎn)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(gòu)，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(nèi)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?qū)崿F(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(gòu)已針對數(shù)字控制應用進行了優(yōu)化，具有先進的架構(gòu)特性，增強了高速信號處理能力。 Piccolo 的主 CPU 內(nèi)核具有單周期 32×32 位乘法及累積單元等內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)核的高速控制環(huán)路。 CLA 在不經(jīng)過 CPU 內(nèi)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(nèi)核相似，CLA 有自己的
指令集和內(nèi)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(nèi)部高精度振蕩器；無需外部晶體
•12 位 A/D 轉(zhuǎn)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(gòu)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(diào)制 (PWM) 在產(chǎn)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。 控制算法的最新改進使開發(fā)人員能夠?qū)嵤└叨染_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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)域內(nèi)，并使用 Clarke 變換將其轉(zhuǎn)換為二維旋轉(zhuǎn)域。 由此，可使用 Park 變換將這兩個相位轉(zhuǎn)換到固定域內(nèi)，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(chǎn)生通量分量 Id 和轉(zhuǎn)矩分量 Iq。 永磁電機的電機轉(zhuǎn)矩僅取決于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置的知識。 轉(zhuǎn)子位置既可使用無傳感器技術(shù)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(shù)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(qū)動器。
圖 3 下頁 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(shù)以獲取轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置，消除了使用昂貴傳感器的需求。
FOC 是一種針對使用永磁 (PM) 電機的系統(tǒng)而設計的重要技術(shù)。 PM 電機在白色家電中的普及度日益增加，它們具備更高的功率密度且不易磨損，因此效率非常高。開發(fā)人員僅需提供幾個矢量和旋轉(zhuǎn)方向就可實現(xiàn)輸出的實時信號更新。 FOC 等先進的控制機制是提高性能但不增加成本的重要技術(shù)。 Piccolo™ 架構(gòu)大幅簡化了對稱 PWM 波形的生成。 利用 Piccolo MCU，開發(fā)者可以輕松引入更改精確的控制，同時仍然為 PFC 留出足夠余量。 事實上，TI 是第一個以 2–6 美元的價格點在單芯片上同時支持 PFC 和 FOC 功能的公司。
圖 3. 適用于永磁電機的完整磁場定向控制系統(tǒng)。
功率因數(shù)校正
PFC 可確保電流波形遵循電壓波形，不論負載或輸入條件出現(xiàn)任何變化，它都能將輸出直流電壓調(diào)節(jié)為常量。 當以有源數(shù)字方式執(zhí)行 PFC 時，PFC 能更加精確，并能消除電壓和電流之間的所有相移。 減少諧波電流含量非常具有吸引力，因為它表示已抽運且未使用的無功功率。 功率因數(shù)的重要性在于這一事實：公用事業(yè)公司向客戶提供伏安，卻以瓦特計費。 低于 1.0 的功率因數(shù)要求公用事業(yè)公司生產(chǎn)的伏安數(shù)大于提供實際功率（瓦特）所必需的最小伏安數(shù)。
此外，PFC 還用于平緩功耗和調(diào)節(jié)輸出電壓。 例如，當冰箱中的壓縮機開啟時，它會在電力網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的負載，通常表現(xiàn)為壓降。 這類功率峰值和諧波會損害脆弱的電子系統(tǒng)。 當系統(tǒng)達到峰值時，如果沒有 PFC，它們傾向于抽運未消耗的功率，因而會降低總效率。 此外，即使是在動態(tài)負載下，PFC 也能讓直流總線電壓保持穩(wěn)定。
PFC 對動力傳動鏈下游也有進一步影響。 由于電力公司需要生成更大的功率電容以適應峰值，因此，行業(yè)鼓勵電子產(chǎn)品制造商采用 PFC 等技術(shù)來平緩功耗。 在某些情況下，必須采用 PFC - IEC 60730 要求歐洲市場出售的白色家電中必須采用 PFC。
PFC 的模擬或無源實施被鎖定為單個模式，對操作條件變化的反應能力有限。 相反，有源或數(shù)字控制的 PFC 能作用于并適應操作條件的變化。 例如，當空調(diào)即將打開壓縮機時，PFC 能在瞬時中斷時主動補償較大的負載。 這不僅能減少生成的瞬態(tài)數(shù)量，還能使功率使用更為高效。 數(shù)字 PFC 的靈活性也使開發(fā)人員可使用可能比 PFC 無源實施更復雜的 PFC 拓撲。
不可小覷高分辨率 PWM 和 A/D 轉(zhuǎn)換器對有效 PFC 的重要性。 維持模擬和數(shù)字域交匯處的信號完整性極其重要，因為這些交界處出現(xiàn)的任何錯誤都會降低性能。
多個電機的控制
許多系統(tǒng)都使用多個電機。 例如，HVAC 系統(tǒng)需要管理一臺壓縮機和一臺風扇。 大多數(shù)實施要求每個電機和其他電機使用獨立的控制器以實施 PFC。
C2000™ Piccolo™ MCU 是第一種能夠使用單芯片通過 PFC 管理兩個電機的控制器。 許多MCU 沒有為控制多個電機及執(zhí)行主動 PFC 所需的計算能力或集成外設。 例如，控制電機可能需要工作頻率高達 20KHz 的控制回路。 另一方面，PFC 需要約為 50 至 100KHz 的工作頻率。 為了可靠地執(zhí)行此類高頻控制算法 - 這種情況下為兩個控制電機和一個管理 PFC -MCU 必須能夠在幾乎無延遲的情況下迅速有效地處理計算。
控制多個電機的能力不僅可以降低系統(tǒng)成本，還可以提高總功率效率和性能。 對于操作雙電機的應用，兩個電機都受相同 MCU 的控制，這一事實能夠讓控制器協(xié)調(diào)一臺電機相對于另一臺電機而言的加速速度。 此外，由于兩個電機都抽運相同的電流源，也可以對 PFC 實施進行協(xié)調(diào)以取得更佳結(jié)果。
無傳感器控制
另一個潛在成本節(jié)約方面在于無傳感器反饋。 可使用建模技術(shù)來精確地確定電機位置或速度，而非使用速度和/或位置傳感器。 要控制 PM 無刷直流電機，位置和速度信息至關重要。 在當今許多系統(tǒng)中，傳感器都用于收集此數(shù)據(jù)，將此作為控制算法的輸入。 但是，從規(guī)模、成本、維護和可靠性角度來看，這些傳感器并不具有吸引力。
對于某些應用，傳感器絕對必要。 例如，用于醫(yī)院呼吸機的氧氣泵需要足夠的精度來確保固定流速。 使用自定義電機時，創(chuàng)建精確的模型可能會非常困難。 對于非常低速的系統(tǒng)應用，可能不存在足夠的反饋來支持無傳感器實施。
然而，對于許多應用（包括白色家電）而言，這種精度并非必要，因此，可引入無傳感器控制以降低系統(tǒng)成本。 例如，當永磁同步電機處于使用狀態(tài)時，可使用名為滑模觀測器的動態(tài)模型替代傳感器，該觀測器的實施既強大又簡單。 此外，可通過最壞情況下極低的速度誤差實現(xiàn)較高的功率效率。
消除傳感器的使用需要控制器模擬電機的狀態(tài)，這樣便能正確估算出相應的位置/速度。 為了保持足夠的模型精度，需要對電壓進行精確的高頻監(jiān)控。 對于這項工作，Piccolo MCU 提供了集成的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以為大多數(shù)應用提供正確的精度水平。
對于不需要傳感器的應用，Piccolo MCU 設計為支持正交編碼器和測速發(fā)電機。 對于需要編碼器的應用，Piccolo 器件包含集成的增強型正交編碼器脈沖 (QEP)，它可以自動將光編碼器脈沖轉(zhuǎn)換為速度和方向，同時僅使用兩個數(shù)字輸入和一個 16/32 位內(nèi)部定時器寄存器。 QEP 是 TI 致力于通過降低系統(tǒng)復雜性來加快開發(fā)速度的另一個例子。 通過自動處理脈沖解碼并輸出位置和速度，QEP 讓開發(fā)人員免去了必須親自創(chuàng)建此代碼的過程，這樣，他們便能夠集中精力讓自己的應用與眾不同。
Piccolo™ MCU 的 QEP 在下述方面特別具有多用途性：它幾乎可以連接任何正交編碼器，包括需要時鐘信號、生成自己的時鐘信號以及不使用時鐘的解碼器。 不采用 QEP 的 MCU要求開發(fā)人員使用 GPIO 捕獲脈沖，然后在軟件進行解碼，這種方式會使維持高頻控制環(huán)路的實時可靠性復雜化。
存在各種類型的測速發(fā)電機；一些提供與電機速度成比例的直流電壓。 通過將某一Piccolo MCU 的 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入接口連接到測速發(fā)電機的輸出接口，可以輕松計算出這一速度。 對于使用簡單霍爾效應傳感器來輸出若干電機每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的低成本電機，軟件驅(qū)動器通常會測量脈沖頻率并跟蹤電機方向。
Piccolo MCU 可以使用其集成的增強型捕捉外設 (eCAP) 簡化此軟件驅(qū)動器的設計。
eCAP 觸發(fā)霍爾效應脈沖上升沿和下降沿的關閉，并自動計算脈沖間的寬度和周期。 此
外，eCAP 在需要讀取之前能捕獲多達四個脈沖。
降低系統(tǒng)成本
理想的系統(tǒng)可以將模擬和數(shù)字技術(shù)整合在一起，并充分利用某一價格點的可用處理能力。
Piccolo MCU 架構(gòu)背后的關鍵基礎之一，是在單芯片上集成的功能的數(shù)量。 通過在數(shù)字域執(zhí)行任務，可以減少元件數(shù)。 這直接降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性。 不足之處是 MCU必須能夠具有成本效益地吸收增加的負荷。
在所有速度范圍上實現(xiàn)有效控制，使開發(fā)者設計的電源器件的容量能夠與應用需求達到最佳匹配，從而提高功率和成本效益。 這也能帶來更流暢的操作和更佳的性能，可減少影響工作壽命的轉(zhuǎn)矩脈動和振動等問題。
對于無傳感器應用，可以顯著節(jié)省成本。 不使用傳感器除了可以從系統(tǒng) BOM 中去除這些傳感器外，還可以省去安裝傳感器接口。 不僅制造商的系統(tǒng)更加便宜，故障點也減少了。
自我監(jiān)測的價值遠遠超出僅將以前的模擬功能遷移到數(shù)字化實施。 多達 16 個 A/D 通道，外加可編程自動序列發(fā)生器，簡化了對整個系統(tǒng)中的不同電流、電壓和傳感器的監(jiān)測過程。 用于增加電機精度和性能的數(shù)據(jù)也可以用來診斷潛在問題。 例如，通過觀察機械振動的頻譜，系統(tǒng)在故障早期即可以識別、預測系統(tǒng)故障并采取行動。
無與倫比的開發(fā)平臺
功能強大的數(shù)字控制系統(tǒng)的創(chuàng)建工作變得空前簡單。 TI 的電機控制和 PFC 開發(fā)者套件以及雙電機控制和 PFC 開發(fā)者套件以 Piccolo MCU 為基礎為開發(fā)者提供一個可加快電機控制系統(tǒng)的開發(fā)和故障排除速度的平臺。 這些直觀的套件甚至可以讓不熟悉 PFC 的開發(fā)者學會如何將 PFC 與所有類型的電機控制應用整合在一起。
利用電機控制和 PFC 套件可以直接訪問 Piccolo™ 架構(gòu)的所有增強功能和特性。 廣泛的軟件庫和詳盡的文檔可以指導開發(fā)者使用實時算法完成整個電機控制系統(tǒng)的創(chuàng)建工作。套件還使開發(fā)者能夠迅速確定實施基本電機控制所需的處理資源。 以此為基準，他們便能夠利用先進的算法來使用剩余的處理容量，實現(xiàn)更高的精度、性能和功效以及多電機控制和大量其他選擇。 通過這種方式，開發(fā)者可以根據(jù)具體應用限制和要求設計出專門優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)。
C2000™ Piccolo MCU 具有廣泛的配置線路圖，可以確保開發(fā)者能夠找到在性能、內(nèi)存和外設方面最符合其應用需要的處理器。 TI 還提供電壓和電流傳感所需的所有模擬組件以及范圍廣泛的標準和高端電機驅(qū)動器。
TI 了解開發(fā)者在設計高效益低功耗電機控制應用時所面臨的挑戰(zhàn)。 通過 Piccolo 系列MCU，TI 提供了無可比擬的高性能集成外設組合，使開發(fā)者能夠使用單個處理器實現(xiàn)雙電機控制，并為精度控制算法、先進的功效和無傳感器反饋留出足夠余量，同時還降低了系統(tǒng)成本。
圖 4. TI 的電機控制和 PFC 開發(fā)者套件方框圖。
（來源：德州儀器，作者：Brett Novak,C2000 MCU 營銷經(jīng)理;Bilal Akin,系統(tǒng)應用工程師）
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