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本文概述了電機(jī)控制設(shè)計(jì)方面的事項(xiàng)，例如多個(gè)電機(jī)控制、磁場(chǎng)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(dòng)
● 汽車控制系統(tǒng)，包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向、防鎖死剎車和懸架控制
TI了解開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)這些高性能電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。制造商尋求引入先進(jìn)的控制算法以實(shí)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(kāi)發(fā)人員應(yīng)對(duì)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(shí)時(shí)算法獲得更精確的控制
● 通過(guò)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(guò)單芯片控制多個(gè)電機(jī)
● 通過(guò)無(wú)傳感器控制簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
● 降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本
Piccolo的優(yōu)點(diǎn)Piccolo MCU利用TI的高性能TMS320C28x內(nèi)核，提供以單一獨(dú)立控制器控制系統(tǒng)所需的所有性能和外設(shè)。通過(guò)充足的余量和專用外設(shè)，Piccolo MCU使開(kāi)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(shí)降低系統(tǒng)成本。
Piccolo架構(gòu)已針對(duì)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(hào)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(jì)算速度。此外，諸如ADC和PWM等控制外設(shè)設(shè)計(jì)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(kāi)銷極小。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器所具有的自動(dòng)序列發(fā)生器允許開(kāi)發(fā)者進(jìn)行編程，以循環(huán)通過(guò)特定次序的樣本，這樣當(dāng)應(yīng)用程序需要時(shí)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(dòng)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(gè)32位浮點(diǎn)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(guò)CPU內(nèi)核的前提下通過(guò)對(duì)外設(shè)的直接訪問(wèn)和響應(yīng)外設(shè)中斷的能力實(shí)現(xiàn)此過(guò)程。與獨(dú)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(dú)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
● 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(dòng)死區(qū)
● 19個(gè)PWM通道中有多達(dá)8個(gè)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(jiǎn)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(wàn)條指令（MIPS）。這樣的高性能使開(kāi)發(fā)者不僅能夠同時(shí)監(jiān)視和控制多個(gè)電機(jī)，還能夠執(zhí)行更復(fù)雜的控制算法以實(shí)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(gè)電機(jī)的同時(shí)維持有源PFC控制，并且仍然有足夠的處理能力來(lái)執(zhí)行高級(jí)電機(jī)控制算法，例如無(wú)傳感器的磁場(chǎng)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。控制算法的最新改進(jìn)使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)嵤└叨染_的算法，以提供與系統(tǒng)行為實(shí)時(shí)變化相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)控制。FOC具有很多優(yōu)勢(shì)，包括低速的全電機(jī)扭矩功能、出色的動(dòng)態(tài)行為、跨越很大速度范圍的高效率、對(duì)扭矩和磁通的解耦控制、短期過(guò)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(jì)算。
FOC原理是通過(guò)對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行采樣來(lái)控制定子磁場(chǎng)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(guò)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(gè)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(huì)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(shí)轉(zhuǎn)子位置的知識(shí)。轉(zhuǎn)子位置既可使用無(wú)傳感器技術(shù)計(jì)算，也可使用傳感器測(cè)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(dòng)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(wú)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(gè)相電流之二；第三種很容易計(jì)算。如上所述，相電流從此處輸入Parke和Clarke變換中。此無(wú)傳感器系統(tǒng)根據(jù)三相電流的反饋使用“SMOPOS”和“SMOSPD”計(jì)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(duì)使用永磁（PM）電機(jī)的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的重要技術(shù)。PM電機(jī)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(kāi)發(fā)人員僅需提供幾個(gè)矢量和旋轉(zhuǎn)方向就可實(shí)現(xiàn)輸出的實(shí)時(shí)信號(hào)更新。FOC等先進(jìn)的控制機(jī)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(jiǎn)化了對(duì)稱PWM波形的生成。利用Piccolo MCU，開(kāi)發(fā)者可以輕松引入更改精確的控制，同時(shí)仍然為PFC留出足夠余量。事實(shí)上，TI是第一個(gè)以2–6美元的價(jià)格點(diǎn)在單芯片上同時(shí)支持PFC和FOC功能的公司。
功率因數(shù)校正
PFC可確保電流波形遵循電壓波形，不論負(fù)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(dāng)以有源數(shù)字方式執(zhí)行PFC時(shí)，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?yàn)樗硎疽殉檫\(yùn)且未使用的無(wú)功功率。功率因數(shù)的重要性在于這一事實(shí)：公用事業(yè)公司向客戶提供伏安，卻以瓦特計(jì)費(fèi)。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(shí)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(dāng)冰箱中的壓縮機(jī)開(kāi)啟時(shí)，它會(huì)在電力網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的負(fù)載，通常表現(xiàn)為壓降。這類功率峰值和諧波會(huì)損害脆弱的電子系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到峰值時(shí)，如果沒(méi)有PFC，它們傾向于抽運(yùn)未消耗的功率，因而會(huì)降低總效率。此外，即使是在動(dòng)態(tài)負(fù)載下，PFC也能讓直流總線電壓保持穩(wěn)定。
PFC對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)鏈下游也有進(jìn)一步影響。由于電力公司需要生成更大的功率電容以適應(yīng)峰值，因此，行業(yè)鼓勵(lì)電子產(chǎn)品制造商采用PFC等技術(shù)來(lái)平緩功耗。在某些情況下，必須采用PFC - IEC 60730要求歐洲市場(chǎng)出售的白色家電中必須采用PFC。
PFC的模擬或無(wú)源實(shí)施被鎖定為單個(gè)模式，對(duì)操作條件變化的反應(yīng)能力有限。相反，有源或數(shù)字控制的PFC能作用于并適應(yīng)操作條件的變化。例如，當(dāng)空調(diào)即將打開(kāi)壓縮機(jī)時(shí)，PFC能在瞬時(shí)中斷時(shí)主動(dòng)補(bǔ)償較大的負(fù)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(kāi)發(fā)人員可使用可能比PFC無(wú)源實(shí)施更復(fù)雜的PFC拓?fù)洹?/p>
不可小覷高分辨率PWM和A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)有效PFC的重要性。維持模擬和數(shù)字域交匯處的信號(hào)完整性極其重要，因?yàn)檫@些交界處出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤都會(huì)降低性能。
多個(gè)電機(jī)的控制
許多系統(tǒng)都使用多個(gè)電機(jī)。例如，HVAC系統(tǒng)需要管理一臺(tái)壓縮機(jī)和一臺(tái)風(fēng)扇。大多數(shù)實(shí)施要求每個(gè)電機(jī)和其他電機(jī)使用獨(dú)立的控制器以實(shí)施PFC。
C2000 Piccolo MCU是第一種能夠使用單芯片通過(guò)PFC管理兩個(gè)電機(jī)的控制器。許多MCU沒(méi)有為控制多個(gè)電機(jī)及執(zhí)行主動(dòng)PFC所需的計(jì)算能力或集成外設(shè)。例如，控制電機(jī)可能需要工作頻率高達(dá)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(gè)控制電機(jī)和一個(gè)管理PFC - MCU必須能夠在幾乎無(wú)延遲的情況下迅速有效地處理計(jì)算。
控制多個(gè)電機(jī)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(duì)于操作雙電機(jī)的應(yīng)用，兩個(gè)電機(jī)都受相同MCU的控制，這一事實(shí)能夠讓控制器協(xié)調(diào)一臺(tái)電機(jī)相對(duì)于另一臺(tái)電機(jī)而言的加速速度。此外，由于兩個(gè)電機(jī)都抽運(yùn)相同的電流源，也可以對(duì)PFC實(shí)施進(jìn)行協(xié)調(diào)以取得更佳結(jié)果。
無(wú)傳感器控制
另一個(gè)潛在成本節(jié)約方面在于無(wú)傳感器反饋。可使用建模技術(shù)來(lái)精確地確定電機(jī)位置或速度，而非使用速度和/或位置傳感器。要控制PM無(wú)刷直流電機(jī)，位置和速度信息至關(guān)重要。在當(dāng)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(hù)和可靠性角度來(lái)看，這些傳感器并不具有吸引力。
對(duì)于某些應(yīng)用，傳感器絕對(duì)必要。例如，用于醫(yī)院呼吸機(jī)的氧氣泵需要足夠的精度來(lái)確保固定流速。使用自定義電機(jī)時(shí)，創(chuàng)建精確的模型可能會(huì)非常困難。對(duì)于非常低速的系統(tǒng)應(yīng)用，可能不存在足夠的反饋來(lái)支持無(wú)傳感器實(shí)施。
然而，對(duì)于許多應(yīng)用（包括白色家電）而言，這種精度并非必要，因此，可引入無(wú)傳感器控制以降低系統(tǒng)成本。例如，當(dāng)永磁同步電機(jī)處于使用狀態(tài)時(shí)，可使用名為滑模觀測(cè)器的動(dòng)態(tài)模型替代傳感器，該觀測(cè)器的實(shí)施既強(qiáng)大又簡(jiǎn)單。此外，可通過(guò)最壞情況下極低的速度誤差實(shí)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(jī)的狀態(tài)，這樣便能正確估算出相應(yīng)的位置/速度。為了保持足夠的模型精度，需要對(duì)電壓進(jìn)行精確的高頻監(jiān)控。對(duì)于這項(xiàng)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(yīng)用提供正確的精度水平。
對(duì)于不需要傳感器的應(yīng)用，Piccolo MCU設(shè)計(jì)為支持正交編碼器和測(cè)速發(fā)電機(jī)。對(duì)于需要編碼器的應(yīng)用，Piccolo器件包含集成的增強(qiáng)型正交編碼器脈沖（QEP），它可以自動(dòng)將光編碼器脈沖轉(zhuǎn)換為速度和方向，同時(shí)僅使用兩個(gè)數(shù)字輸入和一個(gè)16/32位內(nèi)部定時(shí)器寄存器。QEP是TI致力于通過(guò)降低系統(tǒng)復(fù)雜性來(lái)加快開(kāi)發(fā)速度的另一個(gè)例子。通過(guò)自動(dòng)處理脈沖解碼并輸出位置和速度，QEP讓開(kāi)發(fā)人員免去了必須親自創(chuàng)建此代碼的過(guò)程，這樣，他們便能夠集中精力讓自己的應(yīng)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(shí)鐘信號(hào)、生成自己的時(shí)鐘信號(hào)以及不使用時(shí)鐘的解碼器。不采用QEP的MCU要求開(kāi)發(fā)人員使用GPIO捕獲脈沖，然后在軟件進(jìn)行解碼，這種方式會(huì)使維持高頻控制環(huán)路的實(shí)時(shí)可靠性復(fù)雜化。
存在各種類型的測(cè)速發(fā)電機(jī)；一些提供與電機(jī)速度成比例的直流電壓。通過(guò)將某一Piccolo MCU的A/D轉(zhuǎn)換器輸入接口連接到測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出接口，可以輕松計(jì)算出這一速度。對(duì)于使用簡(jiǎn)單霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)輸出若干電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的低成本電機(jī)，軟件驅(qū)動(dòng)器通常會(huì)測(cè)量脈沖頻率并跟蹤電機(jī)方向。
Piccolo MCU可以使用其集成的增強(qiáng)型捕捉外設(shè)（eCAP）簡(jiǎn)化此軟件驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。eCAP觸發(fā)霍爾效應(yīng)脈沖上升沿和下降沿的關(guān)閉，并自動(dòng)計(jì)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(dá)四個(gè)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(jià)格點(diǎn)的可用處理能力。
Piccolo MCU架構(gòu)背后的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一，是在單芯片上集成的功能的數(shù)量。通過(guò)在數(shù)字域執(zhí)行任務(wù)，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(fù)荷。
在所有速度范圍上實(shí)現(xiàn)有效控制，使開(kāi)發(fā)者設(shè)計(jì)的電源器件的容量能夠與應(yīng)用需求達(dá)到最佳匹配，從而提高功率和成本效益。這也能帶來(lái)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(dòng)和振動(dòng)等問(wèn)題。
對(duì)于無(wú)傳感器應(yīng)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(diǎn)也減少了。
自我監(jiān)測(cè)的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出僅將以前的模擬功能遷移到數(shù)字化實(shí)施。多達(dá)16個(gè)A/D通道，外加可編程自動(dòng)序列發(fā)生器，簡(jiǎn)化了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的不同電流、電壓和傳感器的監(jiān)測(cè)過(guò)程。用于增加電機(jī)精度和性能的數(shù)據(jù)也可以用來(lái)診斷潛在問(wèn)題。例如，通過(guò)觀察機(jī)械振動(dòng)的頻譜，系統(tǒng)在故障早期即可以識(shí)別、預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障并采取行動(dòng)。
無(wú)與倫比的開(kāi)發(fā)平臺(tái)
功能強(qiáng)大的數(shù)字控制系統(tǒng)的創(chuàng)建工作變得空前簡(jiǎn)單。TI的電機(jī)控制和PFC開(kāi)發(fā)者套件以及雙電機(jī)控制和PFC開(kāi)發(fā)者套件以Piccolo MCU為基礎(chǔ)為開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)可加快電機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和故障排除速度的平臺(tái)。這些直觀的套件甚至可以讓不熟悉PFC的開(kāi)發(fā)者學(xué)會(huì)如何將PFC與所有類型的電機(jī)控制應(yīng)用整合在一起。
利用電機(jī)控制和PFC套件可以直接訪問(wèn)Piccolo架構(gòu)的所有增強(qiáng)功能和特性。廣泛的軟件庫(kù)和詳盡的文檔可以指導(dǎo)開(kāi)發(fā)者使用實(shí)時(shí)算法完成整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的創(chuàng)建工作。套件還使開(kāi)發(fā)者能夠迅速確定實(shí)施基本電機(jī)控制所需的處理資源。以此為基準(zhǔn)，他們便能夠利用先進(jìn)的算法來(lái)使用剩余的處理容量，實(shí)現(xiàn)更高的精度、性能和功效以及多電機(jī)控制和大量其他選擇。通過(guò)這種方式，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)具體應(yīng)用限制和要求設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)者能夠找到在性能、內(nèi)存和外設(shè)方面最符合其應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)和高端電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
TI了解開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)高效益低功耗電機(jī)控制應(yīng)用時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)Piccolo系列MCU，TI提供了無(wú)可比擬的高性能集成外設(shè)組合，使開(kāi)發(fā)者能夠使用單個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)控制，并為精度控制算法、先進(jìn)的功效和無(wú)傳感器反饋留出足夠余量，同時(shí)還降低了系統(tǒng)成本。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論