[賽普拉斯技術(shù)文章]多電機控制系統(tǒng)設計

　　近年來，科技進步引領(lǐng)微控制器 (MCU) 的使用快速增長，并廣泛應用于洗衣機、空調(diào)及其他家電。而現(xiàn)代電機控制算法，則可以讓這些產(chǎn)品從中受益，實現(xiàn)高效安靜運行。MCU 還能應用于物聯(lián)網(wǎng)應用的機對機通信以及整機控制中?？偟膩碚f，制造商能夠生產(chǎn)更高效、運行噪音更小的電器，并且在提高性能安全的同時保持高性價比。

　　開發(fā)現(xiàn)代電器時，需要同時控制多個電機對工程師來說會是一大挑戰(zhàn)。工程師不僅要處理更高的復雜性，還必須確保任何情況下的安全運行，包括設備故障時的安全。

　　如圖 1 的空調(diào)系統(tǒng)所示，需要控制多個電機，包括一個壓縮機、數(shù)個室內(nèi)單元風扇及數(shù)個室外單元風扇。所有電機必須高效、低噪音地運行，能夠準確地偵測過流、過熱、機械損壞等問題，以確保故障時也能安全運行。

　　圖1: 空調(diào)系統(tǒng)配有多個電機，包括一個壓縮機、數(shù)個室內(nèi)單元電機及數(shù)個室外單元電機。

　　優(yōu)化功能

　　圖2所示為現(xiàn)代電機控制中常用于永磁同步電動機 (PMSM) 的向量控制和磁場定向控制 (FOC) 算法。左邊的淺藍色模塊表示軟件內(nèi)執(zhí)行的功能，包括坐標變換(Clarke、Park 及其逆變量)和 PID(比例、積分、微分)控制器等。

　　“內(nèi)部硬件”由專用的微控制器外設組成，這讓軟件模塊能夠有效地執(zhí)行。其中模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 用于測量與脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 同步的電機繞組的電流，并饋送回控制算法?？刂扑惴ǖ妮敵霰仨殏鬟_至逆變器中的功率開關(guān)器。逆變器則使用 PWM 控制技術(shù)來驅(qū)動電機，包括用于應對功率晶體管有限開關(guān)速度的死區(qū)時間插入。

　　圖2: 用于交流空調(diào)電機控制的逆變器算法，分為軟件、內(nèi)部及外部硬件三大模塊

　　內(nèi)部硬件中的多功能計時器 (MFT) 不但可以為每一個輸出信號 (u、v、w) 及其互補信號 (u-、v-、w-) 產(chǎn)生基本 PWM 脈沖，包括死區(qū)時間。這些信號是用于驅(qū)動輸出橋的高低側(cè)開關(guān)。在這個示例中，采用內(nèi)部正交位置和分辨率計數(shù)器(QPRC) 外設以獲取轉(zhuǎn)子位置信息。磁場定向控制(FOC) 算法執(zhí)行所需的轉(zhuǎn)子信息可通過工業(yè)環(huán)境中 PMSM 電機上安裝的光學或磁性編碼器獲取，如伺服驅(qū)動器。在家用電器或其他應用中，該模塊通常使用“無傳感”控制方法實行。無傳感控制通過電機數(shù)學模型計算轉(zhuǎn)子距離已測量電機電流的位置，而不是測量轉(zhuǎn)子的位置。

　　當一個微控制器控制多個電機時，進行高效、實時的密集計算需要一個復雜的軟件架構(gòu)。而這種軟件架構(gòu)開發(fā)難度高、調(diào)試耗時大、并且難以測試電機性能是否達到要求的質(zhì)量和安全水平。多功能計時器和轉(zhuǎn)速表此類集成外設可以通過減少 MCU 的計算量來簡化多電機控制。此外，可利用軟件庫協(xié)助外設進一步簡化設計，并縮短上市時間。

　　使用多個 多功能計時器 可以實現(xiàn)微控制器向多個電機輸出信號。例如，賽普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 集成了 3 個 多功能計時器，令多達 18 個 PWM 通道(例如，9 對互補信號)能夠控制三相電機。每個多功能計時器單元包含 3 個通道的自由運行計時器、6 個輸出比較單元、4 個輸入捕獲單元、數(shù)個 ADC觸發(fā)器單元以及 1 個波形發(fā)生器 (WFG) 。另外，多功能計時器 支持緊急停機和噪音消除器。

　　僅需幾個步驟，多功能計時器就可以產(chǎn)生一個 PWM 波形。自由運行計時器可以為 PWM 信號提供時間基準，并確定 PWN 的分辨率和頻率。輸出比較單元 (OCU) 能為每個輸出相位確定占空比信號 RT1、3、5(注意：圖3 顯示的示例配置僅使用 3 個輸出比較單元。)信號發(fā)生器發(fā)出相應的互補信號 RTO0-RTO5，包括從 RT 信號自動插入死區(qū)時間，現(xiàn)在可以控制 FET 此類功率管或 IGBT 功率管。信號發(fā)生器也可以處理此類問題，如故障引起的過流。PWM 則可以立即關(guān)機。這不需要軟件參與，也不要啟動故障安全運行。

　　波形發(fā)生器的噪音消除器可以偵測有效的過流事件，也就是說，不會觸發(fā)短暫的尖峰噪聲。就過流事件而言，波形發(fā)生器將 MCU 輸出管腳從 RTO0-RTO5 切換回他們的正常通用輸入輸出 (GPIO) 功能。這讓初始化時相應寄存器的預編程能夠定義故障安全狀態(tài)(例如，高輸出、低輸出或高阻)。除了硬件 PWM 關(guān)機，還會允許中斷，以在應用層面上進一步處理故障問題。

　　圖3: 運用多功能計時器產(chǎn)生 PWM 波形

　　QPRC 在使用正交編碼器的電機控制系統(tǒng)中起著重要的作用。它有三個輸入通道 - AIN、BIN 和 ZIN，用于輸入兩個正交信號和一個可選的零指數(shù)信號。通過這些信號，QPRC 可以偵測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)動方向。另外有一個分辨率計數(shù)器會在每次轉(zhuǎn)動后增速或減速。這樣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動多次后也能計算出轉(zhuǎn)子的絕對位置。這對線性驅(qū)動器、變速箱和其他定位應用都非常有用。

　　多電機設計

　　圖4顯示基于賽普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 設計的現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng) - 系統(tǒng)框圖。室外單元包含一個壓縮機和一個風扇，均利用上述的磁場定向控制(FOC)算法以實現(xiàn)效能最大化。另外，測量室外溫度等各種數(shù)據(jù)的感應器和 MCU 相連接。室外和室內(nèi)單元的連接也可以使用簡單的串行協(xié)議，例如 UART 或者 SPI。

　　室內(nèi)單元需要控制一個或多個風扇/吹風機，也可以運用磁場定向控制算法，保證運行高效而安靜。另有幾個感應器用于測量室溫、濕度及其他參數(shù)。除了連接室外單元，室內(nèi)單元還要與空調(diào)整合到建筑物管理系統(tǒng) (BEMS)，統(tǒng)籌供熱通風與空氣調(diào)節(jié)(Heating, Ventilation, Air Conditioning，HVAC)。此過程通過 CAN 接口可完成。

　　多電機工業(yè)和家庭應用的控制系統(tǒng)

　　室內(nèi)和室外單元都提供需要的性能和效能。賽普拉斯 S6E2H FM4 微控制器是此類應用的理想選擇，將高性能電機控制、CAN 等通訊接口以及充足的用于額外監(jiān)測和控制功能的資源集成為一體的低成本解決方案。

　　圖4: 現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)的多電機控制系統(tǒng)框圖