可配置混合控制器的BLDC電機設計

為了實現(xiàn)高可靠性、低成本和高效率，目前，電機控制應用設計人員正在從傳統(tǒng)的通用或交流(AC)電機設計轉(zhuǎn)換到更為成熟的無刷直流(BLDC)電機或永磁同步電機(PMSM)設計。然而，如果設計人員不能有效獲得高級、復雜的電機控制算法，不管選擇哪一種方法都具有挑戰(zhàn)性，甚至會導致巨大的研發(fā)資源支出及更長的設計時間。

從AC電機轉(zhuǎn)向BLDC電機

飛兆半導體BLDC產(chǎn)品線市場經(jīng)理簡文烯告訴本刊記者，在發(fā)展中國家，電機消耗的能量占據(jù)工業(yè)能源使用的60%~70%,電機驅(qū)動電器(洗衣機、空調(diào)、風扇等)占據(jù)總體家庭功耗的70%左右。因此，在全球，減少電子系統(tǒng)中電機使用的能量，成為了當前業(yè)界急待解決的首要問題。

簡文烯對比了傳統(tǒng)的AC電機和BLDC電機之間的優(yōu)劣，AC電機工作效率只有35%,有噪聲，體積比BLDC電機大，重量多出33%~50%.旋轉(zhuǎn)速度受限于AC頻(50Hz/60Hz)，并且不可調(diào)節(jié); 工作時溫度會高達90℃，用途單一，壽命短。而BLDC電機的效率高達90%,旋轉(zhuǎn)速度采用線性控制，根據(jù)工作負荷可自動調(diào)節(jié)，工作溫度為40℃~45℃，應用范圍廣泛且壽命長。簡文烯指出，如果電子設計工程師要將AC電機控制轉(zhuǎn)換成BLDC/PMSM解決方案，同樣也會遇到新的挑戰(zhàn)，比如說，以往傳統(tǒng)電機設計的工程師對電機的硬件比較了解，而缺乏對電子控制算法和將復雜的數(shù)學計算轉(zhuǎn)換為軟件編碼的經(jīng)驗和專有技術(shù)等等。

因此，電機設計工程師希望有新的解決方案能夠提供模塊化的先進電機控制軟件庫，能最大限度減少軟件設計工作，但是仍然提供可編程的系統(tǒng)控制和通信接口，用于實施附加功能，提供硬件保護和穩(wěn)健的模擬控制器。簡文烯指出，飛兆正是針對市場上這種需求，推出了用于BLDC電機控制的新架構(gòu)。

用于BLDC電機控制的新架構(gòu)

簡文烯介紹說，為幫助設計人員應對這些成本和軟件負擔，飛兆半導體開發(fā)了FCM8531模擬及數(shù)字集成式電機控制器。FCM8531是一款三相混合BLDC/PMSM控制器，具有兩個并行處理器，一個是先進的電機控制器(AMC)，另一個是嵌入式微控制器(MCU)。該產(chǎn)品針對復雜的電機控制應用提供了一個完整的單芯片解決方案。這兩個核心處理器獨立工作，但可通過有助于避免系統(tǒng)掛機并增強硬件保護的內(nèi)部通信接口協(xié)作進行數(shù)據(jù)交換。FCM8531通過其集成式硬件控制器和MCU接口管理功能最大限度地減少軟件負擔，并實現(xiàn)了更高效且快速的負載響應電機系統(tǒng)。據(jù)了解，AMC專用于電機控制，由一個基于硬件的電機控制器外加一個可以配置為數(shù)種專用電機控制算法的可配置處理內(nèi)核。嵌入式MCU是流程控制和通信接口的中心，管理速度控制面板、遙控裝置或LED燈指示器等功能;主要職責是MCS 51兼容MCU處理器向AMC提供電機控制指令，執(zhí)行電機控制行動，并且管理外部通信接口(圖1)，AMC與MCU之間的MSFR是一個專用功能寄存器，是MCU至AMC間的構(gòu)建平臺。

那么，這種混合架構(gòu)是如何工作的呢?簡文烯解釋，AMC能夠適用各種電機設計，使用可配置和存儲的飛兆半導體庫執(zhí)行功能強大的算法，如正弦波控制、磁場定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制，以提供高性能電機控制功能。 與AMC配對使用的MCU接口使用戶能輕易改變寄存器的值，滿足不同電機操作流程及特點的要求。該器件非常適合于解決無速度傳感器風扇應用中的啟動抖動，以及各種風扇和泵應用中的噪聲和低效率問題。FCM8531具有多種硬件保護功能，如過壓保護和過流保護。其設計考慮及提供對所有故障模式的快速響應，同時嵌入式MCU可輕易地實現(xiàn)額外功能。

可配置混合架構(gòu)的優(yōu)勢

簡文烯強調(diào)，飛兆這種模擬及數(shù)字集成式電機控制器混合架構(gòu)的特點與優(yōu)勢主要體現(xiàn)在，一是具有最少的軟件工作。使用集成式MCU的AMC能最大限度地減少軟件負擔，并提供靈活的設計適應性。通過使用飛兆配置和存儲在AMC中的軟件庫，AMC可以執(zhí)行FOC和DQ控制等強大算法，MCU僅需要簡單的系統(tǒng)控制軟件編程。