設(shè)計高性能和低功耗的電機(jī)控制系統(tǒng)

數(shù)字電機(jī)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(guān)的容差問題，還使開發(fā)者能夠動態(tài)地適應(yīng)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(guān)閉風(fēng)扇電機(jī)，還能根據(jù)系統(tǒng)溫度調(diào)整風(fēng)扇速度。此外，系統(tǒng)還能夠自行校準(zhǔn)，從而不需要安排常規(guī)的手動維護(hù)。

本文概述了電機(jī)控制設(shè)計方面的事項，例如多個電機(jī)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(dāng)今的微控制器(MCU)如何使各種廣泛的應(yīng)用具有更大精度、更小功耗和更低成本。

當(dāng)今的微控制器(MCU)可使各種廣泛的應(yīng)用具有更大精度、更小功耗和更低成本，包括：

● 帶有風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的白色家電和設(shè)備，例如洗衣機(jī)和冰箱

● HVAC（取暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)

● 用于電機(jī)控制、電源逆變器和機(jī)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(shè)計這些高性能電機(jī)控制系統(tǒng)時面臨的挑戰(zhàn)。制造商尋求引入先進(jìn)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(yīng)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(shè)，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(jī)

● 通過無傳感器控制簡化設(shè)計

● 降低系統(tǒng)復(fù)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(shè)。通過充足的余量和專用外設(shè)，Piccolo MCU使開發(fā)者能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的控制算法，在進(jìn)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(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有先進(jìn)的架構(gòu)特性，增強(qiáng)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(shè)設(shè)計得非常靈活，能夠輕松適應(yīng)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(jìn)行編程，以循環(huán)通過特定次序的樣本，這樣當(dāng)應(yīng)用程序需要時值已就緒。使用更智能的控制外設(shè)和強(qiáng)大的CPU內(nèi)核，控制環(huán)路運(yùn)行更緊密，既改進(jìn)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(xué)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(shè)的直接訪問和響應(yīng)外設(shè)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(jìn)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(yùn)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(dá)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(dá)8個可以在高分辨率模式下工作，其可以低至150皮秒

● 增強(qiáng)型正交編碼器脈沖(QEP)和增強(qiáng)型捕捉外設(shè)(eCAP)可以簡化傳感器解碼

精確和準(zhǔn)確控制

Piccolo架構(gòu)提供極佳的處理功能，達(dá)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(jī)，還能夠執(zhí)行更復(fù)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(jī)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(jī)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(yīng)給電機(jī)或高性能電源的電壓或電流中發(fā)揮重要的作用?？刂扑惴ǖ淖钚赂倪M(jìn)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(yīng)的動態(tài)控制。FOC具有很多優(yōu)勢，包括低速的全電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的控制方案明顯更加復(fù)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(jī)的相電流進(jìn)行采樣來控制定子磁場的角度和振幅分量，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其易于控制。電機(jī)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(jī)的電機(jī)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(shè)置為零，這將最大限度地減少轉(zhuǎn)矩電流比并提高電機(jī)效率。電流分量的控制需要具備有關(guān)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(jìn)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(jī)驅(qū)動器。

圖3所示為完整的FOC電機(jī)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。

圖3.適用于永磁電機(jī)的完整磁場定向控制系統(tǒng)。