工程苗小兵

先楫資深FAE工程師

電力電子與電力傳動專業碩士研究生，一個從事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的電機驅動和電源控制經驗，專注電力電子控制方向。

概 述

隨著我國經濟的不斷發展，在工業、交通運輸、建筑等各領域中的用電需求不斷增加，而這些領域中的用電設備又主要是各種電機，在目前我國的電力系統中，電機的總裝機容量已經超過了6億千瓦，為了促進節能減排目標的實現，2006年制定了國家標準GB18613-2006，將中小型電動機的能效等級劃分為1級（超高效電機），2級（高效電機）、3級（標準電機），3個能耗標準。國家能源標準的實施是為了進一步推動高效產品的發展。針對國家節能要求，對電機驅動也提出了更高的需求，驅動效率低不僅增加系統能耗，而且加大散熱成本，甚至增加體積和重量從而會導致產品品質降低。

電流帶寬

電機控制器損耗，主要包含功率開關器件的導通損耗和開關（開通和關斷）損耗。導通損耗與電機功率和開關器件選型有關，降低導通損耗只能選用更高性能的功率開關管，勢必大幅增加成本，限制開關頻率是在不提高系統成本的前提下提高效率的最優方案。

降低開關頻率勢必影響到電機驅動器的另一個體現了電機驅動器的動態性能的關鍵指標：帶寬。伺服控制系統的帶寬表示系統對輸入命令（位置、速度或轉矩）變化的響應速度。

系統中的每個控制環路都有自己的帶寬，在級聯控制環路中，最內層環路（電流控制）應該具有最高的帶寬。下一個環路（速度控制）會有更低的帶寬，在某些應用中，速度環路帶寬可以比當前環路帶寬低一個數量級。最外層環（位置控制）的帶寬可以比速度環低一個數量級。

最優策略

目前通用的220V電壓伺服的開關頻率大約是8-16kHz，其中大部分工作在8kHz。在算法上，我們希望能在不提高開關頻率的前提下，盡可能提高電流帶寬。根據奈奎斯特定理，理論上的電流帶寬最高為開關頻率的1/2。

提高電流帶寬和優化效率產生了矛盾。

目前最優的辦法是通過中心對齊PWM，在前半波和后半波分別修正占空比，實現單載波調節兩次占空比從而提高電流帶寬。通過hpm6200的高算力，可在1us內完成整個電流環計算，在電流采樣結束后可以立即更新PWM比較器寄存器，實現計算即更新的高效控制效果。

如何實現

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多電機同步

HPM6280有豐富的外設資源，最多可同時支持4臺電機驅動控制。下圖展示了通過SYNT定時器實現了4電機同步，每個電機的PWM相差90°相位，功率管開關時刻均勻分布在一個周期。

SYNT定時器有四個同步比較器，輸出4個同步信號經四個電機單元的互聯管理器分別送到各自PWM模塊的同步輸入端。

PWM中心對齊

PWM 控制器的支持28 (24 +4) 位分辨率計數器，支持向上計數模式。多達 24 個比較器，支持用作輸出比較，支持為每個輸出通道靈活地分配數目不等的比較器，靈活控制輸出信號，生成例如邊沿對齊 PWM、左右不對稱的中央對齊 PWM 以及更復雜的輸出信號。

下圖是在通道 0（CH0REF）和通道 1（CH1REF）輸出上生成中心對齊相移 PWM 的例子。

下圖是中心對稱函數和對應配置。

PWM雙更新觸發

影子寄存器控制是在 CPU訪問寄存器的時候，實質上改變的是它的影子寄存器，新值并不馬上生效。只有在指定的時刻，才把影子寄存器的值更新到寄存器影子寄存器。這可以確保 PWM 在時序控制時確保動作一致，防止在非正常狀態下數據更新，導致輸出產生毛刺、波形異常。

比較器的影子寄存器更新有4種選擇：軟件把 SHCR [SHLK] 位置 1 生效，實時生效，定時器的某一個 CMP 發生匹配后生效，影子寄存器重載觸發輸入 SHRLDSYNCI 生效。

PWM雙更新選用兩個比較器配置成中心對齊模式，一組PWM輸出占用兩個比較器，在PWM周期的前半波和后半波分別動作。其中，前半波的影子比較器更新條件為重載觸發輸入 SHRLDSYNCI，后半波影子比較器更新條件為 CMP 發生匹配后生效。

將匹配比較器生效把選中的比較器 的值設為與 周期/2 ，達到半個 PWM 周期后更新影子寄存器的目的。中心對齊模式種兩個比較器在周期/2 、周期分別更新。

ADC雙更新

ADC16支持的轉換模式包括：支持讀取轉換模式、支持周期轉換模式、支持序列轉換模式、支持搶占轉換模式。其中搶占轉換模式支持12 組搶占轉換序列，觸發信號分別來自于芯片的片上互聯模塊，共 12 個搶占觸發源，適用于多電機同步觸發。

PWM中通道 8 參考輸出中通道 15 參考可以用于觸發ADC轉換。ADC轉換會受到功率開關時的開關噪聲干擾，建議ADC轉換時選用PWM中心對齊的周期和周期/2處。

多電機同步觸發ADC時要避免多電機同一時刻觸發同一個AD轉換導致轉換失敗。

小 結

綜上所述，我們可以得出以下結論：

HPM6200具備4個PWM模塊可以實現1拖4電機控制。

HPM6200具備高速運算能力，通過PWM雙閉環控制可以使電流環帶寬達到載波頻率/2，在不提高開關頻率的前提下提高帶寬，可以實現<1us的電流環控制，達到計算即更新的高效控制效果。

ADC雙采樣配合PWM雙更新，能夠讓先楫HPM6200系列產品在伺服系統中更加明顯地發揮高效節能應用優勢。