[賽普拉斯技術(shù)文章]多電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)，科技進(jìn)步引領(lǐng)微控制器 (MCU) 的使用快速增長(zhǎng)，并廣泛應(yīng)用于洗衣機(jī)、空調(diào)及其他家電。而現(xiàn)代電機(jī)控制算法，則可以讓這些產(chǎn)品從中受益，實(shí)現(xiàn)高效安靜運(yùn)行。MCU 還能應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的機(jī)對(duì)機(jī)通信以及整機(jī)控制中?？偟膩?lái)說(shuō)，制造商能夠生產(chǎn)更高效、運(yùn)行噪音更小的電器，并且在提高性能安全的同時(shí)保持高性價(jià)比。

　　開(kāi)發(fā)現(xiàn)代電器時(shí)，需要同時(shí)控制多個(gè)電機(jī)對(duì)工程師來(lái)說(shuō)會(huì)是一大挑戰(zhàn)。工程師不僅要處理更高的復(fù)雜性，還必須確保任何情況下的安全運(yùn)行，包括設(shè)備故障時(shí)的安全。

　　如圖 1 的空調(diào)系統(tǒng)所示，需要控制多個(gè)電機(jī)，包括一個(gè)壓縮機(jī)、數(shù)個(gè)室內(nèi)單元風(fēng)扇及數(shù)個(gè)室外單元風(fēng)扇。所有電機(jī)必須高效、低噪音地運(yùn)行，能夠準(zhǔn)確地偵測(cè)過(guò)流、過(guò)熱、機(jī)械損壞等問(wèn)題，以確保故障時(shí)也能安全運(yùn)行。

　　圖1: 空調(diào)系統(tǒng)配有多個(gè)電機(jī)，包括一個(gè)壓縮機(jī)、數(shù)個(gè)室內(nèi)單元電機(jī)及數(shù)個(gè)室外單元電機(jī)。

　　優(yōu)化功能

　　圖2所示為現(xiàn)代電機(jī)控制中常用于永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM) 的向量控制和磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法。左邊的淺藍(lán)色模塊表示軟件內(nèi)執(zhí)行的功能，包括坐標(biāo)變換(Clarke、Park 及其逆變量)和 PID(比例、積分、微分)控制器等。

　　“內(nèi)部硬件”由專用的微控制器外設(shè)組成，這讓軟件模塊能夠有效地執(zhí)行。其中模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 用于測(cè)量與脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 同步的電機(jī)繞組的電流，并饋送回控制算法?？刂扑惴ǖ妮敵霰仨殏鬟_(dá)至逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器。逆變器則使用 PWM 控制技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，包括用于應(yīng)對(duì)功率晶體管有限開(kāi)關(guān)速度的死區(qū)時(shí)間插入。

　　圖2: 用于交流空調(diào)電機(jī)控制的逆變器算法，分為軟件、內(nèi)部及外部硬件三大模塊

　　內(nèi)部硬件中的多功能計(jì)時(shí)器 (MFT) 不但可以為每一個(gè)輸出信號(hào) (u、v、w) 及其互補(bǔ)信號(hào) (u-、v-、w-) 產(chǎn)生基本 PWM 脈沖，包括死區(qū)時(shí)間。這些信號(hào)是用于驅(qū)動(dòng)輸出橋的高低側(cè)開(kāi)關(guān)。在這個(gè)示例中，采用內(nèi)部正交位置和分辨率計(jì)數(shù)器(QPRC) 外設(shè)以獲取轉(zhuǎn)子位置信息。磁場(chǎng)定向控制(FOC) 算法執(zhí)行所需的轉(zhuǎn)子信息可通過(guò)工業(yè)環(huán)境中 PMSM 電機(jī)上安裝的光學(xué)或磁性編碼器獲取，如伺服驅(qū)動(dòng)器。在家用電器或其他應(yīng)用中，該模塊通常使用“無(wú)傳感”控制方法實(shí)行。無(wú)傳感控制通過(guò)電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)子距離已測(cè)量電機(jī)電流的位置，而不是測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置。

　　當(dāng)一個(gè)微控制器控制多個(gè)電機(jī)時(shí)，進(jìn)行高效、實(shí)時(shí)的密集計(jì)算需要一個(gè)復(fù)雜的軟件架構(gòu)。而這種軟件架構(gòu)開(kāi)發(fā)難度高、調(diào)試耗時(shí)大、并且難以測(cè)試電機(jī)性能是否達(dá)到要求的質(zhì)量和安全水平。多功能計(jì)時(shí)器和轉(zhuǎn)速表此類集成外設(shè)可以通過(guò)減少 MCU 的計(jì)算量來(lái)簡(jiǎn)化多電機(jī)控制。此外，可利用軟件庫(kù)協(xié)助外設(shè)進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并縮短上市時(shí)間。

　　使用多個(gè) 多功能計(jì)時(shí)器 可以實(shí)現(xiàn)微控制器向多個(gè)電機(jī)輸出信號(hào)。例如，賽普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 集成了 3 個(gè) 多功能計(jì)時(shí)器，令多達(dá) 18 個(gè) PWM 通道(例如，9 對(duì)互補(bǔ)信號(hào))能夠控制三相電機(jī)。每個(gè)多功能計(jì)時(shí)器單元包含 3 個(gè)通道的自由運(yùn)行計(jì)時(shí)器、6 個(gè)輸出比較單元、4 個(gè)輸入捕獲單元、數(shù)個(gè) ADC觸發(fā)器單元以及 1 個(gè)波形發(fā)生器 (WFG) 。另外，多功能計(jì)時(shí)器 支持緊急停機(jī)和噪音消除器。

　　僅需幾個(gè)步驟，多功能計(jì)時(shí)器就可以產(chǎn)生一個(gè) PWM 波形。自由運(yùn)行計(jì)時(shí)器可以為 PWM 信號(hào)提供時(shí)間基準(zhǔn)，并確定 PWN 的分辨率和頻率。輸出比較單元 (OCU) 能為每個(gè)輸出相位確定占空比信號(hào) RT1、3、5(注意：圖3 顯示的示例配置僅使用 3 個(gè)輸出比較單元。)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出相應(yīng)的互補(bǔ)信號(hào) RTO0-RTO5，包括從 RT 信號(hào)自動(dòng)插入死區(qū)時(shí)間，現(xiàn)在可以控制 FET 此類功率管或 IGBT 功率管。信號(hào)發(fā)生器也可以處理此類問(wèn)題，如故障引起的過(guò)流。PWM 則可以立即關(guān)機(jī)。這不需要軟件參與，也不要啟動(dòng)故障安全運(yùn)行。

　　波形發(fā)生器的噪音消除器可以偵測(cè)有效的過(guò)流事件，也就是說(shuō)，不會(huì)觸發(fā)短暫的尖峰噪聲。就過(guò)流事件而言，波形發(fā)生器將 MCU 輸出管腳從 RTO0-RTO5 切換回他們的正常通用輸入輸出 (GPIO) 功能。這讓初始化時(shí)相應(yīng)寄存器的預(yù)編程能夠定義故障安全狀態(tài)(例如，高輸出、低輸出或高阻)。除了硬件 PWM 關(guān)機(jī)，還會(huì)允許中斷，以在應(yīng)用層面上進(jìn)一步處理故障問(wèn)題。

　　圖3: 運(yùn)用多功能計(jì)時(shí)器產(chǎn)生 PWM 波形

　　QPRC 在使用正交編碼器的電機(jī)控制系統(tǒng)中起著重要的作用。它有三個(gè)輸入通道 - AIN、BIN 和 ZIN，用于輸入兩個(gè)正交信號(hào)和一個(gè)可選的零指數(shù)信號(hào)。通過(guò)這些信號(hào)，QPRC 可以偵測(cè)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。另外有一個(gè)分辨率計(jì)數(shù)器會(huì)在每次轉(zhuǎn)動(dòng)后增速或減速。這樣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)多次后也能計(jì)算出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置。這對(duì)線性驅(qū)動(dòng)器、變速箱和其他定位應(yīng)用都非常有用。

　　多電機(jī)設(shè)計(jì)

　　圖4顯示基于賽普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 設(shè)計(jì)的現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng) - 系統(tǒng)框圖。室外單元包含一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)風(fēng)扇，均利用上述的磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法以實(shí)現(xiàn)效能最大化。另外，測(cè)量室外溫度等各種數(shù)據(jù)的感應(yīng)器和 MCU 相連接。室外和室內(nèi)單元的連接也可以使用簡(jiǎn)單的串行協(xié)議，例如 UART 或者 SPI。

　　室內(nèi)單元需要控制一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇/吹風(fēng)機(jī)，也可以運(yùn)用磁場(chǎng)定向控制算法，保證運(yùn)行高效而安靜。另有幾個(gè)感應(yīng)器用于測(cè)量室溫、濕度及其他參數(shù)。除了連接室外單元，室內(nèi)單元還要與空調(diào)整合到建筑物管理系統(tǒng) (BEMS)，統(tǒng)籌供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)(Heating, Ventilation, Air Conditioning，HVAC)。此過(guò)程通過(guò) CAN 接口可完成。

　　多電機(jī)工業(yè)和家庭應(yīng)用的控制系統(tǒng)

　　室內(nèi)和室外單元都提供需要的性能和效能。賽普拉斯 S6E2H FM4 微控制器是此類應(yīng)用的理想選擇，將高性能電機(jī)控制、CAN 等通訊接口以及充足的用于額外監(jiān)測(cè)和控制功能的資源集成為一體的低成本解決方案。

　　圖4: 現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)的多電機(jī)控制系統(tǒng)框圖