通過智能電機控制優(yōu)化實時性能與效率

　　反饋

　　高級控制機制的更高性能和復雜性從一定程度而言都與反饋環(huán)路的使用有關。反饋環(huán)路可對速度、位置/角度、電流、磁通量以及轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)。FOC 需要測量速度以及轉(zhuǎn)子與定子之間的角度。梯形和正弦控制則需要測量速度、位置和電流。

　　開發(fā)人員既能夠采用傳感器也能夠采用無傳感器方案來實施反饋。就采用 ACI 電機的應用而言，可使用測速計直接測量速度。采用 PMSM 的設計方案則可使用編碼器或分解器對位置進行跟蹤，同時可通過測量一定時間內(nèi)的位置變化來計算速度。傳感器確實會增加系統(tǒng)的成本和組件數(shù)量，但對高精度系統(tǒng)來說往往是必需的。

　　對于無傳感器的方案而言，需要通過滑模 (Sliding Mode) 和模型參考自適應系統(tǒng) (MRAS) 等“狀態(tài)觀察器”根據(jù)實時電流與電壓的測量結果對電機的速度和角度進行建模(也就是進行估算)。這種方法的益處是電流和電壓傳感器比位置傳感器(采用單個 DC 分流就能以低成本的方式對電流進行可靠的測量)便宜得多，但實施數(shù)學電機建模工作會占用系統(tǒng)微處理器一定量的 MIPS 資源。

　　集成型電機控制

　　當前片上系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢改變了開發(fā)人員實施電機控制的方式。現(xiàn)在，支持智能控制機制實施的 MCU 成本還不足 2 美元，即便對大量低成本應用而言也足以接受，有助于提升性能、效率和精度。舉例來說，德州儀器 (TI) 的低成本 C2000 Piccolo MCU 可在單顆芯片上控制兩個電機，同時仍能為功率因數(shù)校正 (PFC) 等其他高價值特性預留足夠的性能空間。此外，這種微處理器還集成了眾多基于硬件的特性，能夠進一步提升性能和效率。

　　● 加速器：基于硬件的處理能將主 MCU 解放出來，進而加快計算速度并簡化整體設計;例如，控制律加速器 (CLA) 能完全承擔起整個閉環(huán) FOC 系統(tǒng)的處理任務;除了可提升電機控制的精度之外，加速器還能提供更多的處理預留性能空間，使開發(fā)人員能夠通過抽象來簡化設計，實施更高級的算法和/或采用成本更低的 MCU。

　　● 電機控制專用外設：MCU 上的集成外設不僅能降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)精度，而且還能加速設計進程;例如，高分辨率和已同步的 ADC 能讓 MCU 通過 CPU 獲取來實現(xiàn) ADC 采樣同步，以執(zhí)行時延極低的高準確度電流測量;基于硬件的可編程 PWM 配合增強型特性不僅能優(yōu)化性能，還能提升效率，并確保 ADC 采樣不與 PWM 切換同時發(fā)生;最后，諸如 CAP/QEP 傳感器接口等集成型接口能夠顯著簡化設計工作、減少組件數(shù)，并降低系統(tǒng)成本。

　　● 實時調(diào)試支持：電機控制應用面臨的一個特殊挑戰(zhàn)，就是要在電機不間斷運行的情況下，持續(xù)提供中斷的同時進行系統(tǒng)調(diào)試;為了實現(xiàn)這一目標，需要讓基于硬件的實時調(diào)試電路系統(tǒng)幫助開發(fā)人員以非侵入式的方式直接存取內(nèi)部微處理器資源;此外，基于硬件的調(diào)試還可對已部署的系統(tǒng)進行現(xiàn)場故障排除。

　　加速開發(fā)進程

　　獲得設計與調(diào)試所需的軟硬件是最大限度加速開發(fā)進程的關鍵。比方說，通用硬件平臺能幫助開發(fā)人員實現(xiàn)設計的可擴展性，能針對不同應用實現(xiàn)軟件的重復使用，如從簡單的電機應用直到高端的高精度應用等。此外，提供豐富電機控制庫的可視開發(fā)工具也能進一步擴展平臺的價值，使開發(fā)人員能夠?qū)F(xiàn)有框架進行快速調(diào)諧以適用于特定的應用領域，從而實現(xiàn)高級別的功能。

　　可視開發(fā)工具使開發(fā)人員能夠?qū)F(xiàn)有框架進行快速調(diào)諧以適用于特定應用，從而實現(xiàn)高級別的設計。例如雙通道無傳感器 FOC 式 PMSM 系統(tǒng)的增量構建。在這一點上，開發(fā)人員能夠確認目標獨立的模塊、占空比以及 PWM 更新。此外，對電機表現(xiàn)建模的功能還可幫助開發(fā)人員在電機斷連時確認 PWM 操作，從而可避免意外熔斷。

　　開發(fā)人員通?？赏ㄟ^采用定點 MCU 來降低系統(tǒng)成本，不過代價是要手動管理數(shù)學精度與分辨率問題。采用諸如 TI IQMath 等庫抽象化算法設計，算法代碼可在 MCU 以及應用、控制機制與電機類型之間進行移植。此外，抽象性還可簡化第三方電機控制軟件與開發(fā)平臺(如 Mathworks 的 Embedded Target 與 Visual Solutions 的 VisSim 等)之間的集成，促進代碼重復使用，而且即便在浮點與定點 MCU 之間也可實現(xiàn)代碼的“上下”移動。

　　專為電機控制應用設計的高集成 MCU 的推出使開發(fā)人員不僅能夠降低現(xiàn)有系統(tǒng)成本，而且還可采用更智能的控制機制提高系統(tǒng)性能、精度以及效率。開發(fā)人員通過了解其可使用的不同電機類型與控制方法，就可選擇適當?shù)姆椒ㄅc控制智能水平來構建易于擴展的高穩(wěn)健系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但支持各種增值特性，而且還可充分利用長期的代碼投資。