高性價比電機驅(qū)動器的能耗解決方案

計算應(yīng)用的發(fā)展引起了人們對電子產(chǎn)業(yè)如何減少能耗的廣泛關(guān)注和討論。根據(jù)電力研究協(xié)會（EPRI）的研究，機械傳動類應(yīng)用，包括電機驅(qū)動、消費類白色家電和工業(yè)用機器的能耗占全球電力消耗總量的50%以上，因此這一領(lǐng)域成為新的低能耗設(shè)計的首要目標。

除了能耗管理IC之外，這類機械傳動控制應(yīng)用的解決之道在于采用MCU形式的智能芯片。MCU能夠以更高的效率、更低的成本進行電機管理，加速從機電控制到電子控制的轉(zhuǎn)變過程，實現(xiàn)變速電機（VSM）的控制。

MCU控制的無刷直流（BLDC）電機相比傳統(tǒng)的直流電機具有更高的效率、很高的力矩-慣性比、較高的速度性能、較低的噪聲、較好的熱效率和較低的EMI指標。智能電機的效率可以超過95%，而感應(yīng)式電機只有85%。而且，在很多應(yīng)用中，相比恒速電機，MCU控制的可變速BLDC電機能夠節(jié)省25%～40%的能耗。

BLDC電機的能效

用于電機控制的高性價比MCU的出現(xiàn)也引起了傳統(tǒng)電機制造商和應(yīng)用廠商的關(guān)注，促使他們重新比較和考慮VSM的一些特殊控制技術(shù)。利用傳統(tǒng)的標量控制方法實現(xiàn)VSM要求制造商增大電機的尺寸，以容納大的瞬態(tài)電壓或峰值電壓。

為了避免增大電機而帶來的成本，制造商開始尋求采用磁場導向控制（FOC）（也稱為矢量控制）技術(shù)來縮小電機的尺寸。FOC技術(shù)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性、較高的功率密度和較低的轉(zhuǎn)矩波動，這些都有助于提高系統(tǒng)的效率。此外，F(xiàn)OC不需要位置傳感器，只需要一個分路電阻器，從而降低了制造成本，提高了可靠性。

磁場導向控制技術(shù)通過改變定子繞組中的電流，使電機中的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場保持90的角度。盡管我們已知系統(tǒng)中定子磁場的角度，但是還必須測量或估算出轉(zhuǎn)子磁場的角度，以便計算出二者之間的角度差。

當判斷出轉(zhuǎn)子磁場的角度之后，矢量控制算法就可以計算出向定子相位繞組上加載電壓的最佳時機和大小。由于這類矢量控制算法都是數(shù)據(jù)密集型算法，因此目前常見的無傳感器FOC實現(xiàn)方案都采用了16位或32位的MCU、DSP或DSC處理器，用于處理復雜的三角函數(shù)方程。

此外，為了確保所需的精度，還需要在系統(tǒng)中內(nèi)置查找表，這需要采用大容量的閃存和復雜的軟件算法，以處理電流計算、矢量旋轉(zhuǎn)、空間矢量調(diào)制和比例積分控制等方面的問題。這些因素都會增大控制系統(tǒng)的成本。
新推出的8位微控制器在體系結(jié)構(gòu)上進行了特殊的增強配置，例如英飛凌技術(shù)公司的XC800系列就具備了實現(xiàn)更高性價比FOC系統(tǒng)所需的硬件功能（如圖1所示）。

圖1 內(nèi)含專用模塊的低成本8位控制器提供了磁場導向電機控制所需的全部功能

低成本8位FOC解決方案

具有FOC功能的MCU內(nèi)部集成了一個兼容8051的處理器內(nèi)核和一個強大的片上處理單元――矢量計算器，該計算器能夠同時對矢量數(shù)據(jù)（一維陣列）執(zhí)行多個計算操作（如圖2所示）。該矢量計算器由多個處理單元組成，包括一個坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）單元和一個乘/除法運算單元，當與16位的采集/比較單元和快速片上A/D轉(zhuǎn)換器配合使用時，它能夠執(zhí)行16位的數(shù)學運算。

圖2 一款具有FOC功能的MCU，內(nèi)部集成了一個8051兼容內(nèi)核和一個強大的能夠同時對矢量數(shù)據(jù)進行多個計算操作的片上處理單元

該CORDIC內(nèi)置了一個容量很小的查找表，利用加法、減法和移位操作能夠?qū)崿F(xiàn)多種復雜數(shù)學函數(shù)和三角函數(shù)的迭代計算，例如Clarke和Park算法。CORDIC的輸出結(jié)果可達16位的精度，它的功能基本上與CPU核是相互獨立的，從而為其他控制任務(wù)節(jié)省了資源開銷。

乘除法單元可以執(zhí)行16位和32位的數(shù)學運算，可以用來代替標準的8051 MUL/DIV指令。要想進一步縮小閃存容量，提高訪問速度，我們還可以在自舉ROM中加入定點和浮點指令的數(shù)學運算庫。

如前所述，F(xiàn)OC算法的主要目標是確保定子的磁場與轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體的磁場保持垂直的方向。它們的關(guān)系是通過一次分路電流的測量而估計出來的，這種測量需要用相應(yīng)的PWM模式快速觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器。在智能PWM單元CapCom6E和A/D轉(zhuǎn)換器之間，采用基于事件的硬件觸發(fā)器可以實現(xiàn)這一目標。這種基于事件的觸發(fā)器消除了中斷等待時間，實現(xiàn)了快速而精確的電流測量。

將片上運算單元和外設(shè)集成在一起實現(xiàn)FOC的方式為其他使用低成本8位MCU的系統(tǒng)控制功能節(jié)省了充分的資源。例如，在15kHz的PWM頻率和133μs的電流測量速度下，F(xiàn)OC控制功能僅僅占用了58%的CPU性能，為其他專用功能提供了很大的余量。與硬編碼FOC實現(xiàn)方式不同的是，集成了矢量計算器的MCU具有軟件可重編程能力。我們可以利用這一功能，通過構(gòu)造一個程控斜面或者采用減弱磁場的方法（例如減弱FOC算法的ID組件），優(yōu)化電機的啟動過程。

無傳感器FOC的評估

利用FOC驅(qū)動應(yīng)用工具包可以對基于8位MCU的無傳感器FOC進行評估。該工具包包含一個集成了矢量計算器的MCU、三相功率轉(zhuǎn)換板、24V BLDC電機、插入式電源和全部完整的FOC源碼。

此外，通過CAN-USB橋可以下載十六進制的代碼，這樣就可以在電機工作過程中修改電機速度、電流控制等電機參數(shù)，實現(xiàn)實時控制功能。英飛凌還為用戶提供了包含免費工具鏈在內(nèi)的一整套開發(fā)環(huán)境，幫助用戶利用同一個工具包實現(xiàn)下一階段的應(yīng)用研發(fā)和定制。