飛思卡爾針對無傳感器雙電機(jī)控制推出100MHz 32位DSC

　　電機(jī)驅(qū)動器是洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、干衣機(jī)、冰箱、空調(diào)系統(tǒng)等家用電器的組成部分。近幾年對家電電機(jī)驅(qū)動器的要求發(fā)生了很大的變化。推動這些變化的因素包括安全和環(huán)境友好要求、性能要求，以及制造成本。其中一個關(guān)鍵要求是實現(xiàn)高效率，這決定了需要使用采用先進(jìn)的控制算法的高能效電機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制和家電控制。性能要求涵蓋了可變的電機(jī)轉(zhuǎn)速操作，并要求具有高動量和廣泛的轉(zhuǎn)速范圍。與簡單的換相控制相比，低噪聲要求更傾向于正弦驅(qū)動。單相異步電機(jī)和通用電機(jī)正在被三相電機(jī)（交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)以及最主要的永磁同步電機(jī)（PMSM））取代，因為三相電機(jī)能夠滿足上述要求。通常需要對交流感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)進(jìn)行矢量控制。矢量控制提供卓越的動態(tài)性能，可以在低速情況下利用完整的電機(jī)轉(zhuǎn)矩功能，在廣泛的速率范圍內(nèi)在每個工作點高效地控制電機(jī)，并能夠單獨(dú)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和通量。最重要的是，對統(tǒng)一輸入功率因數(shù)的需求要求采用功率因數(shù)校正（PFC）電路。

　　電機(jī)驅(qū)動器的技術(shù)解決方案通常接近技術(shù)極限，在很大程度上由成本推動。電機(jī)的大小和材料成本進(jìn)行了優(yōu)化，通常會產(chǎn)生非線性電機(jī)參數(shù)，會隨著電機(jī)溫度和電流而變化。電子硬件盡可能保持簡單；設(shè)計人員通常不會使用昂貴、精準(zhǔn)的模擬元件，而實施專用軟件算法。位置或速度傳感器相當(dāng)昂貴，因此開發(fā)人員側(cè)重于實現(xiàn)無傳感器的操作，采用先進(jìn)的數(shù)學(xué)估算方法，根據(jù)外加電壓計算電機(jī)速度和位置，生成電流和電機(jī)參數(shù)。因此，電機(jī)控制不再是一種簡單的算法，而成為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，需要帶有專用外設(shè)的高性能微控制器和先進(jìn)的電機(jī)控制算法。

　　一些家電包含一個以上的電機(jī)。洗衣機(jī)就是一個例子，它有一個水泵和主驅(qū)動器，空調(diào)則包括壓縮機(jī)和風(fēng)扇。過去，這些電機(jī)由單獨(dú)的電子電路驅(qū)動。然而，為了實現(xiàn)最低的成本，出現(xiàn)了使用一個單一微控制器并行控制兩個電機(jī)的驅(qū)動器，從而最大限度地減少昂貴電子元件的數(shù)量。

　　通過推出集高性能、專用外設(shè)和低成本于一身的專用微控制器，將能夠同時實現(xiàn)高效率、高性能和低廉的成本。飛思卡爾提供了完整的數(shù)字信號控制器（DSC）系列，能夠滿足先進(jìn)的電機(jī)控制應(yīng)用的要求。DSC系列提供了用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制以及其他需要高速率和高分辨率控制環(huán)路功能的應(yīng)用的優(yōu)化解決方案。DSC系列結(jié)合了數(shù)字信號處理器（DSP）的處理能力和微控制器功能以及一組靈活的外設(shè)，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。DSC系列最先推出基于16位56800E內(nèi)核的32MHz MC56F80xx器件，主要針對復(fù)雜驅(qū)動器，如針對泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)的無傳感器矢量控制；接著推出了60MHz DSC，針對無傳感器洗衣機(jī)等要求苛刻的應(yīng)用，最新推出的是基于32位56800EX內(nèi)核的100MHz 56F84xx DSC，它專用于數(shù)字功率轉(zhuǎn)換和無傳感器雙電機(jī)控制。

　　100MHz 32位MC56F84xx是市場上速度最快的數(shù)字信號處理微控制器，提供卓越的精度、傳感和控制，用于最高效的數(shù)字功率電源轉(zhuǎn)換和先進(jìn)的電機(jī)控制應(yīng)用。100MHz / 100MIPS 32位56800EX內(nèi)核提供高級電源和電機(jī)控制應(yīng)用所需的數(shù)學(xué)功能。單周期數(shù)學(xué)運(yùn)算、分?jǐn)?shù)運(yùn)算支持和平行移動提高了性能，推動實現(xiàn)更緊湊、更快的控制環(huán)路。MC56F84xx包含專用于實時應(yīng)用的先進(jìn)的高速、高精度外設(shè)。具有312微微秒分辨率的高分辨率脈寬調(diào)制（eFlexPWM）模塊支持更高的交換頻率，能夠降低成本，提高效率。另一個PWM模塊支持實施雙電機(jī)控制。兩個12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供高達(dá)300ns/3.33Msps的采樣頻率，減少了輸入值的抖動，從而提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。具有內(nèi)置溫度傳感器和帶隙的16位SAR ADC用于一般的應(yīng)用測量。4個模擬比較器具有集成的6位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可加快系統(tǒng)事件識別，能夠在緊急情況下停止PWM輸出。多功能定時器允許單獨(dú)定時和生成PWM信號，可編程延遲模塊（PDB）用于實現(xiàn)與PWM脈沖同步的硬件ADC觸發(fā)，最終實現(xiàn)電機(jī)電流重建。正交解碼器模塊對常用于工業(yè)電機(jī)控制驅(qū)動器的正交編碼器位置信號進(jìn)行解碼。64KB到288KB的閃存提供了主要數(shù)字功率和電機(jī)控制應(yīng)用所需的可擴(kuò)展性。直接存儲器存?。―MA）控制器減少了內(nèi)核中斷，提高了性能。飛思卡爾FlexMemory EEPROM提供了一個高速暫存存儲器（scratch pad），用于存儲校準(zhǔn)和停機(jī)值。內(nèi)存保護(hù)功能能夠限制用戶代碼訪問重要的內(nèi)存位置和為監(jiān)控人員預(yù)留的外設(shè)，從而提高了系統(tǒng)安全性。5V容錯I/O提供了設(shè)計靈活性和系統(tǒng)成本節(jié)省。包括QSCI、QSPI、I2C/SMBus和FlexCAN在內(nèi)的豐富的通信外設(shè)允許與主從系統(tǒng)進(jìn)行各種連接。模塊間交叉開關(guān)是一種獨(dú)特的外設(shè)，提供片上外設(shè)之間的通用連接：這些外設(shè)包括ADC、12位DAC、比較器、QuadTimers、eFlexPWM、PDB、EWM、正交解碼器、特定I/O引腳。


圖1  MC56F84xx框圖

　　具有功率因數(shù)校正的無傳感器雙正弦矢量控制是56F84xx的目標(biāo)應(yīng)用之一。該應(yīng)用常見于洗衣機(jī)中，洗衣機(jī)有一個DSC控制泵和主驅(qū)動器，或者也常見于室外空調(diào)，其中有一個DSC控制風(fēng)扇和壓縮機(jī)。

　　此類系統(tǒng)的應(yīng)用需求如下所示：

　　•對永磁同步電機(jī)進(jìn)行雙重控制
　　•同時對兩個電機(jī)進(jìn)行正弦矢量控制（也稱為磁場定向控制-FOC）
　　•無傳感器電機(jī)位置估算
　　•高啟動轉(zhuǎn)矩，寬轉(zhuǎn)速范圍
　　•8-16kHz的PWM頻率
　　•使用分流電阻的三相電流傳感（在某些情況下，可首選直流總線上的單一分流傳感），直流總線電壓傳感
　　•輸入功率因數(shù)校正（取決于地區(qū)和總功率）
　　•硬件和軟件故障保護(hù)
　　•與主從系統(tǒng)的連接
　　•滿足IEC60730電器安全標(biāo)準(zhǔn)

　　該解決方案的概念如圖2所示。一個單一的DSC控制整個系統(tǒng)–兩個電機(jī)、PFC，提供了連接，還提供了電器自身的應(yīng)用控制。電源硬件包括共用直流總線電路的兩個逆變器、PFC電子元件、電流和電壓傳感以及輔助電源。


圖2  由MC56F84xx驅(qū)動的PFC的雙電機(jī)控制

　　如上所述，在目前的電器中，高級電機(jī)控制算法通?；谑噶靠刂萍夹g(shù)-參見圖3。使用矢量控制算法，交流感應(yīng)電機(jī)和PM同步電機(jī)的控制流程類似于單獨(dú)使用的直流電機(jī)的控制。在特殊的參考坐標(biāo)系中，定子電流可以分為由轉(zhuǎn)矩生成的電流和由磁場生成的電流。這些電流通過直流值表示，可以單獨(dú)進(jìn)行控制。

　　矢量控制算法要求使用高速ADC測量三相電流。電流測量必須與PWM脈沖中心同步，以避免轉(zhuǎn)換噪聲，并得到一個有意義的平均電流值。通常情況下，兩相電流將同時進(jìn)行測量，第三相電流通過計算得出。因此，DSC能夠一次對兩個電流進(jìn)行采樣，與PWM保持同步。三相電流被轉(zhuǎn)換為循環(huán)的d/q坐標(biāo)，其中可以單獨(dú)控制轉(zhuǎn)矩生成的電流和磁通生成的電流?？刂葡到y(tǒng)包括兩個電流控制環(huán)路-一個用于轉(zhuǎn)矩（由q控制器表示），另一個用于磁場-磁通（由d控制器表示）。根據(jù)這些控制器的結(jié)果，使用空間矢量調(diào)制技術(shù)計算出輸出電壓矢量，并生成對應(yīng)的逆變器的補(bǔ)充PWM信號。如果電機(jī)速度超出了額定值，則必須包括一種特殊算法，能夠支持在磁場削弱區(qū)域運(yùn)行。即便如此，一些電機(jī)仍然具有強(qiáng)大的磁阻轉(zhuǎn)矩。為了使用這個磁阻轉(zhuǎn)矩并構(gòu)建盡可能?。ㄇ冶阋耍┑碾姍C(jī)，開發(fā)人員實施一種稱為最大轉(zhuǎn)矩電流比控制（MTPA）的特殊算法，該算法可充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩。MPTA還提高了效率。單獨(dú)和獨(dú)立控制由轉(zhuǎn)矩和磁通生成的電流將實現(xiàn)高度動態(tài)的運(yùn)行（可實現(xiàn)非常低的速度）和良好的控制。

　　要實現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓δ埽噶靠刂扑惴ㄐ枰峁┪恢煤退俣刃畔?。在工業(yè)驅(qū)動器中，該信息通常從機(jī)械位置/速度傳感器獲得，例如編碼器、解析器、SinCos甚至位置霍爾傳感器。對于目前的大多數(shù)電器驅(qū)動器來說，機(jī)械傳感器過于昂貴。在某些情況下，由于泵或壓縮機(jī)內(nèi)的機(jī)械限制，甚至很難使用傳感器。因此，電機(jī)位置和速度必須通過先進(jìn)的無傳感器算法計算得出。對于永磁同步電機(jī)的無傳感器位置計算，最有用的算法是基于電機(jī)的反電勢（Back-EMF）數(shù)學(xué)模型的計算。反電勢數(shù)學(xué)模型需要相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)、外加電壓和電機(jī)電流。在運(yùn)行時，DSC將解析方程組，運(yùn)行數(shù)字濾波器和估算器，并計算正確運(yùn)行矢量控制算法所需的位置和速度。由于該模型基于電機(jī)反電勢電壓，而這種電壓在速度為零時會消失，顯然，該方法在速度為零或低速情況下無法提供位置和速度信息。因此，該方法需要一個專門的啟動算法-在通常情況下，是帶有某種轉(zhuǎn)矩和電流限制的開環(huán)啟動。

　　所有這些算法的計算都需要處理器提供較高的計算能力。要求最苛刻的是矢量控制算法的快速控制環(huán)路，其中包括相位電流重建、電流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)計算、電流控制器、空間矢量調(diào)制以及帶有位置和速度估算器和過濾器的全反電勢觀測儀?？焖倏刂骗h(huán)路的計算必須與PWM頻率同步，通常在每個PWM脈沖上運(yùn)行-對于8-16kHz PWM是63-125微秒的周期。


圖3  永磁同步電機(jī)的無傳感器矢量控制

　　雙電機(jī)控制需要并行計算兩個矢量控制算法。通常情況下，這兩個電機(jī)共享一個逆變器直流總線電路。為了減少直流總線電容的電流應(yīng)力，并實現(xiàn)最小的直流總線電壓紋波，這兩個電機(jī)的PWM脈沖每經(jīng)過半個PWM周期就互相進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種PWM轉(zhuǎn)換允許實現(xiàn)交替的ADC采樣，因此兩個ADC轉(zhuǎn)換器便足夠了。然后，每個電機(jī)的無傳感器矢量控制算法的快速環(huán)路計算也可以交替進(jìn)行。

　　作為一種可選方法，也可能需要用到功率因數(shù)校正（PFC）。根據(jù)性能要求、輸出功率和負(fù)載條件，可以實現(xiàn)若干種PFC技術(shù)。對于雙電機(jī)運(yùn)行常見的高功率，通常使用在連續(xù)傳導(dǎo)模式下運(yùn)行的交錯式PFC。交錯式PFC包括兩個MOSFET電源開關(guān)和兩個PFC感應(yīng)器。微控制器感應(yīng)輸入電流并控制電源開關(guān)，以保持輸入電流為正弦并與電網(wǎng)同步。PFC的典型PWM頻率范圍是50-100kHz。

　　先進(jìn)的電機(jī)控制算法需要專用的外設(shè)功能和微控制器的CPU性能，以便同時管理兩個電機(jī)和PFC。除了這些任務(wù)外，微控制器應(yīng)提供至少50%的計算時間用于執(zhí)行與其他應(yīng)用有關(guān)的任務(wù)。飛思卡爾MC56F84xx能夠滿足各方面的應(yīng)用要求，是此類高級應(yīng)用的理想選擇。

　　要實現(xiàn)成功的應(yīng)用開發(fā)，非常重要的一點是具備DSC生態(tài)系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠在合理的時間內(nèi)設(shè)計出復(fù)雜的驅(qū)動器。除了編譯器、調(diào)試器、專門的應(yīng)用說明和參考設(shè)計等標(biāo)準(zhǔn)工具外，飛思卡爾還提供了兩個能夠立即引起開發(fā)人員興趣的工具，即FreeMASTER實時調(diào)試器和嵌入式軟件庫（Embedded Software Libraries）。

　　FreeMASTER是用戶友好的實時調(diào)試、監(jiān)控和數(shù)據(jù)可視化工具。電機(jī)控制應(yīng)用代表一種實時的嵌入式應(yīng)用，具有許多系統(tǒng)變量和控制參數(shù)。需要實時觀察和評估這些參數(shù)及變量，從而以最佳的方式確定、建立和調(diào)整控制算法。過去，開發(fā)人員使用代碼調(diào)試器和示波器來開發(fā)電機(jī)控制應(yīng)用。這種傳統(tǒng)型開發(fā)非常費(fèi)力。調(diào)試器通常不允許在運(yùn)行時查看和更改應(yīng)用變量，需要停止目標(biāo)處理器才能訪問這些變量。這種方法不適用于電機(jī)控制應(yīng)用，開發(fā)人員不能關(guān)斷電機(jī)來訪問處理器的內(nèi)存，然后再次運(yùn)行電機(jī)。使用示波器的限制因素是驅(qū)動器的實際信號通常與處理器測量的信號不同。測量的信號會受到所使用的傳感電路、測量噪聲以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏移和增益誤差等因素的影響。信號過濾會影響測量精度。使用示波器查看內(nèi)部變量也受到很大的限制。

　　FreeMASTER實時調(diào)試器旨在簡化電機(jī)控制應(yīng)用的開發(fā)。FreeMASTER支持以完全非侵入式的方式監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的變量。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員可以在類似于示波器的顯示器上顯示隨時間變化的多個應(yīng)用變量，或以文本形式查看數(shù)據(jù)。用戶還可以從PC主機(jī)上控制在目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行的嵌入式應(yīng)用?；贖TML的數(shù)據(jù)可視化區(qū)域具有高度可擴(kuò)展性。在控制窗口中，用戶可以提供基于Active-X的儀表、刻度盤、旋鈕和滑動塊，以根據(jù)需要創(chuàng)建復(fù)雜或精美的自定義儀表盤。


圖4  FreeMASTER實時調(diào)試、監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化工具

　　飛思卡爾嵌入式軟件庫（FSLESL）是一個廣泛的算法集，專門針對高級電機(jī)控制應(yīng)用的開發(fā)。通用功能庫（GFLIB）融合了數(shù)學(xué)、三角函數(shù)、查找表和控制功能。這些軟件模塊是基本的構(gòu)建單元。電機(jī)控制庫（MCLIB）涵蓋了矢量調(diào)制、轉(zhuǎn)換和用于構(gòu)建數(shù)字控制電機(jī)驅(qū)動器的特定的電機(jī)相關(guān)功能。通用數(shù)字過濾庫（GDFLIB）提供了過濾功能，可以實現(xiàn)信號調(diào)整。高級控制庫（ACLIB）涵蓋了實現(xiàn)永磁同步電機(jī)無傳感器控制的主要功能。

　　飛思卡爾嵌入式軟件庫算法進(jìn)行了高度優(yōu)化，使用數(shù)十萬個測試矢量進(jìn)行了測試，并且提供了良好的文檔記錄。它們使用可通過C語言調(diào)用的函數(shù)接口實現(xiàn)，因此十分易于使用。這些庫目前可供56800E/EX、ColdFireV1、CortexM4和Power Architecture平臺使用。這些算法大大加快了只需創(chuàng)建簡單應(yīng)用的初學(xué)者的開發(fā)，同時也加快了需要處理復(fù)雜的實時動態(tài)系統(tǒng)的專業(yè)人員的開發(fā)，這類系統(tǒng)包括電機(jī)控制、電源轉(zhuǎn)換及其他實時嵌入式應(yīng)用。

　　總之，由高級無傳感器算法控制的三相電機(jī)將越來越多地用于各種驅(qū)動器，包括家用電器。飛思卡爾提供了一套完整的專用數(shù)字信號控制器、豐富的工具鏈和必要的技術(shù)知識，支持在應(yīng)用中實現(xiàn)這些復(fù)雜的控制算法，并快速、高效地實現(xiàn)所需的性能。