電機(jī)控制的技術(shù)趨勢(shì)及開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)

1   電機(jī)控制的三大趨勢(shì)解析

在電機(jī)控制領(lǐng)域有三大主要趨勢(shì)，它們呈現(xiàn)出并駕齊驅(qū)的態(tài)勢(shì)。這三大趨勢(shì)分別是：提高能效（綠色倡議）、完善功能安全（最早適用于家電應(yīng)用，現(xiàn)在應(yīng)用范圍已擴(kuò)大），當(dāng)然還有一直以來(lái)的降低成本趨勢(shì)。無(wú)論對(duì)消費(fèi)者、Microchip 還是整個(gè)世界而言，這三大趨勢(shì)都極為有利。

據(jù)估計(jì)，電機(jī)控制所消耗的電力約占全球電力產(chǎn)能的三分之一。隨著能源成本的不斷增加，電機(jī)控制自然而然成為了提高效率的目標(biāo)。這就促使應(yīng)用從BDC 演變?yōu)锽LDC 再到PMSM，最終發(fā)展至IPM 電機(jī)，以便在消費(fèi)品、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的能效。甚至在汽車(chē)領(lǐng)域，提升燃油效率或延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)（EV）一次完全充電的行駛距離，這樣的趨勢(shì)，也在推動(dòng)從低成本BDC 到高效BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)變。

當(dāng)然，這也意味著控制算法必須改變才能保持同步。作為BLDC 電機(jī)的簡(jiǎn)單六步換相或交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）的伏特/ 赫茲算法的替代，您需要使用磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)這些電機(jī)，這種算法可優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，從而最大限度地提高能效。

現(xiàn)在，即便使用標(biāo)準(zhǔn)FOC 算法也不足以滿足要求。例如，有一種適用于FOC 的附加算法，可最大程度提高每安培的轉(zhuǎn)矩（MTPA）。這種算法用于IPM 電機(jī)。FOC 中加入了另一項(xiàng)功能，稱(chēng)為零速/ 最大轉(zhuǎn)矩（ZS/MT），可在啟動(dòng)或低速狀態(tài)時(shí)最大程度提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩。它有助于從霍爾傳感器轉(zhuǎn)向FOC。幸運(yùn)的是，Microchip 的電機(jī)控制應(yīng)用工程師們擅長(zhǎng)幫助客戶(hù)在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)此類(lèi)高級(jí)FOC 解決方案。

功能安全這一趨勢(shì)始于家用電器，但在大約10 年前，隨著ADAS應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，汽車(chē)領(lǐng)域也開(kāi)始重視功能安全，很快醫(yī)療應(yīng)用也對(duì)安全性提出了很高要求。家電和工業(yè)應(yīng)用均需符合IEC 60730 B 類(lèi)設(shè)備的要求。在汽車(chē)領(lǐng)域，該規(guī)范稱(chēng)為ISO 26262 ASIL B、C或D。而對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，則適用于IEC 61508 SIL 2/SIL 3 規(guī)范。

這些功能安全規(guī)范在不斷發(fā)展演變。他們?cè)陂_(kāi)始時(shí)需要利用軟件診斷程序或硬件電路來(lái)發(fā)現(xiàn)可能造成人身傷害的故障?，F(xiàn)在，他們將安全性貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程（甚至包括公司的組織形式），以此來(lái)控制電氣元件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，為這一流程提供支持。Microchip 現(xiàn)在根據(jù)此ISO 流程設(shè)計(jì)出新的電機(jī)控制芯片，并向客戶(hù)提供功能安全診斷庫(kù)和用戶(hù)指南等附加產(chǎn)品，幫助他們實(shí)現(xiàn)安全合規(guī)性。

降低成本是第三大趨勢(shì)，它既沒(méi)有開(kāi)始，也不會(huì)結(jié)束?？蛻?hù)希望有能夠以最低價(jià)格滿足其需求的選擇，而制造商理所當(dāng)然地希望將其利潤(rùn)最大化。像Microchip這樣的半導(dǎo)體制造商，其最終目標(biāo)是推動(dòng)技術(shù)幾何結(jié)構(gòu)逐漸變小，增加每個(gè)硅晶圓上的管芯數(shù)量，從而在競(jìng)爭(zhēng)中取勝。

這必然是一個(gè)艱難的過(guò)程，但也有很多好處。采用的技術(shù)越新，制作出的新芯片的性能水平就越高，閃存程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)SRAM 存儲(chǔ)器就越大，數(shù)字和模擬外設(shè)的功能也更強(qiáng)，這不僅完善了電機(jī)控制本身，同時(shí)還提高了整個(gè)應(yīng)用的功能性。憑借新的特性和功能、更高的運(yùn)行效率和更強(qiáng)的功能安全性以及比以往更低的價(jià)格，助力客戶(hù)取得成功。

Microchip 16位單片機(jī)業(yè)務(wù)部 資深戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Patrick Heath

2   工程師在開(kāi)發(fā)中遇到的困難

電機(jī)控制應(yīng)用開(kāi)發(fā)的主要困難之一是需要一個(gè)設(shè)計(jì)出色的電機(jī)控制開(kāi)發(fā)板。它必須能夠處理電機(jī)產(chǎn)生的電壓和電流，并且鍍銅層要足以吸收由MOSFET 在高頻（通常為20 kHz）下開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的熱。既不能將其用金屬線纏繞，也不能接到電路試驗(yàn)板上。

幾年前，我去拜訪了一家客戶(hù)，他們當(dāng)時(shí)正嘗試對(duì)低電壓電子換相風(fēng)扇電機(jī)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)試。他們可以啟動(dòng)電機(jī)和風(fēng)扇，但運(yùn)轉(zhuǎn)幾秒后就會(huì)停轉(zhuǎn)。他們連上了調(diào)試器，試圖找出發(fā)生的問(wèn)題。他們發(fā)現(xiàn)，我們的dsPIC^?電機(jī)控制DSC 上的CPU 由于在客戶(hù)代碼中的隨機(jī)位置執(zhí)行了非法指令而停止。他們希望我能幫助找出電機(jī)控制芯片出了什么問(wèn)題。

我到達(dá)時(shí)，本打算去一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，但卻被帶到一間普通的會(huì)議室，他們?cè)谀抢镞\(yùn)行電機(jī)。令我驚訝的是，他們沒(méi)有使用PCB（印制板），而是將dsPIC 電機(jī)控制DSC 和逆變器組件安裝到了電路試驗(yàn)板上，并在周?chē)紳M了跳線來(lái)連接電路。

由于未使用具有合適接地層的真正PCB，電機(jī)產(chǎn)生的電氣噪聲被耦合到了電機(jī)控制器芯片中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)遭到破壞，而這一錯(cuò)誤被非法指令異常陷阱所捕獲。工程師們認(rèn)為，調(diào)試電路后再進(jìn)行布線及生產(chǎn)PCB 可以節(jié)省時(shí)間。

電機(jī)控制和數(shù)字電源應(yīng)用也可能比其他類(lèi)型的嵌入式控制更加危險(xiǎn)。當(dāng)然，這取決于您執(zhí)行的電機(jī)控制類(lèi)型。如果只是用于消費(fèi)類(lèi)玩具或汽車(chē)應(yīng)用的簡(jiǎn)單低電壓BDC 電機(jī)，那么它在開(kāi)路控制中旋轉(zhuǎn)并不困難，也沒(méi)有足夠的功率消耗從而造成麻煩。

但是，我們所看到的大多數(shù)客戶(hù)應(yīng)用都是針對(duì)三相BLDC 或PMSM 電機(jī)控制。這些可以是用于汽車(chē)的低電壓12 V 電機(jī)。商業(yè)應(yīng)用通常使用更高的電壓，例如用于鉆頭或其他電動(dòng)工具的電壓為18 V，而工業(yè)機(jī)械和泵則通常使用24 V 電壓。我們還曾將96 V 電機(jī)用于踏板車(chē)。

您還需要考慮這些電機(jī)可能消耗的電流。它們的電流可以低至幾安培，但也可以高很多。例如，電鉆可以在不到1 s 的時(shí)間內(nèi)從電池組中消耗100 A 的電流。即便我們以一個(gè)較小的電流為例，比如10 A。在12 V 電機(jī)上，這相當(dāng)于120 W的標(biāo)稱(chēng)功率，并且可能高出很多！

在電機(jī)控制中有這樣一種情況，電機(jī)正在快速旋轉(zhuǎn)，而您決定快速使其減速。有時(shí)將這種情況稱(chēng)為四象限控制。這種情況下，會(huì)產(chǎn)生大量能量，流過(guò)逆變電路的高電流導(dǎo)致電壓為正常電壓的兩倍，而您知道此電路無(wú)法處理如此大的功率。您會(huì)發(fā)現(xiàn)MOSFET 可能會(huì)變成煙花，然而這可不是應(yīng)該興奮的事情，并且您肯定不希望在發(fā)生這種情況時(shí)站得離電路板太近。

Microchip 了解客戶(hù)希望從開(kāi)發(fā)階段快速轉(zhuǎn)入產(chǎn)品上市階段。對(duì)于尚未自行制作硬件的客戶(hù)，我們提供標(biāo)準(zhǔn)的低電壓和高電壓開(kāi)發(fā)板，用于三相電機(jī)控制。我們甚至轉(zhuǎn)售適合開(kāi)發(fā)板的庫(kù)存演示電機(jī)?？蛻?hù)可以先使用我們的免費(fèi)應(yīng)用筆記軟件，或使用我們的motorBench^?開(kāi)發(fā)套件FOC 圖形用戶(hù)界面（GUI）生成軟件，獲得現(xiàn)成的工作解決方案，使他們?cè)跀?shù)分鐘內(nèi)安全地使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。不會(huì)出現(xiàn)煙花或非法操作代碼陷阱！

3   Microchip的解決方案

在Microchip，我們專(zhuān)注于簡(jiǎn)化客戶(hù)的電機(jī)控制開(kāi)發(fā)流程。讓客戶(hù)能夠更快速、更輕松地使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而有更多時(shí)間專(zhuān)注于他們的應(yīng)用需求，并且能縮短整個(gè)開(kāi)發(fā)周期。為客戶(hù)提供原型設(shè)計(jì)所用的電機(jī)控制開(kāi)發(fā)板只是該流程的一半。另一半是軟件開(kāi)發(fā)。

過(guò)去，為了讓客戶(hù)啟動(dòng)電機(jī)控制項(xiàng)目，我們?yōu)樗麄兲峁┝擞糜诳刂扑惴ǖ膽?yīng)用筆記和演示代碼，該算法在dsPIC33 電機(jī)控制器以及使用我們的一臺(tái)庫(kù)存演示電機(jī)的一個(gè)電機(jī)控制開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行。對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的控制算法，例如6 步換相、無(wú)傳感器BEMF 甚至是帶滑模觀測(cè)器（SMO）的簡(jiǎn)化FOC，這種方法十分有效。利用這些算法，只需調(diào)整新電機(jī)和負(fù)載的少量調(diào)節(jié)參數(shù)，而借助調(diào)節(jié)指南，我們可以輕松指導(dǎo)工程師完成整個(gè)過(guò)程。

客戶(hù)通?？梢栽诙潭處讉€(gè)小時(shí)內(nèi)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，這樣便有時(shí)間關(guān)注應(yīng)用需求。

目前，我們的大多數(shù)dsPIC33 電機(jī)控制客戶(hù)都希望在使用PLL 估算器運(yùn)行FOC 的同時(shí)，還能運(yùn)行其他幾種算法。這包括：?jiǎn)?dòng)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的初始位置檢測(cè)（IPD）軟件、可最大程度提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的弱磁（FW）算法、用于最大程度提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA）、用于支持較低電機(jī)轉(zhuǎn)速的死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償（DTC）算法、用于減少母線電容量（以節(jié)省成本）的過(guò)調(diào)制（OM）算法、可平穩(wěn)啟動(dòng)自由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的風(fēng)車(chē)（WM）算法，以及能使電機(jī)安全地快速降速和停止的主動(dòng)制動(dòng)（AB）?？蛻?hù)通常希望能混合使用這些附加算法并將部分組合與其主要FOC 算法相匹配。此外，這些附加算法還有各種選項(xiàng)可供選擇。這極大地提高了解決方案的復(fù)雜程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了獨(dú)立演示代碼項(xiàng)目及調(diào)節(jié)指南所能涵蓋的范圍。

Microchip 的dsPIC33 電機(jī)控制團(tuán)隊(duì)幾年前就已開(kāi)始著手解決這一問(wèn)題。他們創(chuàng)造出一個(gè)FOC 軟件工具，這款名為motorBench^? 開(kāi)發(fā)套件的GUI，與稱(chēng)作電機(jī)控制應(yīng)用框架（MCAF）的軟件框架協(xié)同工作，可針對(duì)特定電機(jī)生成FOC 代碼。用戶(hù)可利用motorBench 工具配置主要FOC 算法的工作方式。例如，您可以選擇使用PLL 或角度跟蹤PLL（AT-PLL）估算器，或者使用外部增量（光學(xué)）編碼器來(lái)提供轉(zhuǎn)子位置反饋?？梢赃x擇和配置三種不同的電機(jī)啟動(dòng)算法選項(xiàng)。此外，還可以選擇和配置附加算法的選項(xiàng)。

每個(gè)電機(jī)都具有獨(dú)特的電氣特性！這意味著必須為每個(gè)電機(jī)和負(fù)載定制FOC 參數(shù)。為此，motorBench 工具首先執(zhí)行一個(gè)我們稱(chēng)之為自調(diào)試（SC）的過(guò)程。此過(guò)程可以測(cè)量電機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵電氣參數(shù)，例如定子電阻（Rs）、轉(zhuǎn)矩（Ld）和磁通量（Lq）的電感以及電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）。還可以在電機(jī)有負(fù)載的情況下測(cè)量一些機(jī)械參數(shù)，包括靜摩擦轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子慣性和黏性阻尼。

收集有關(guān)電機(jī)和負(fù)載的信息之后，motorBench 工具可以轉(zhuǎn)至下一步，繼續(xù)運(yùn)行電機(jī)及調(diào)節(jié)三個(gè)比例積分（PI）控制回路（FOC 的基本構(gòu)成要素）：轉(zhuǎn)速、Id（轉(zhuǎn)矩）和Iq（磁通量）。這三個(gè)PI 回路的參數(shù)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，但用戶(hù)也可以使用motorBench 開(kāi)發(fā)套件手動(dòng)調(diào)整系數(shù)，以調(diào)節(jié)控制回路的帶寬，使之更適合其應(yīng)用。

完成調(diào)節(jié)后，MCAF 會(huì)生成代碼，代碼會(huì)放置到項(xiàng)目文件中，隨后可將這些代碼下載并燒寫(xiě)到dsPIC^?數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）上的閃存程序存儲(chǔ)器中，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。整個(gè)過(guò)程需要大約5 到10 分鐘完成。如果不使用motorBench 工具，整個(gè)過(guò)程可能需要由數(shù)名工程師花費(fèi)數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間才能完成，而且這還只是基本的FOC 算法，不包含任何附加算法。要手動(dòng)將這些附加算法集成到基本FOC 中也相當(dāng)困難。使用motorBench 工具確實(shí)能夠幫助用戶(hù)節(jié)省大量時(shí)間和精力，使他們有時(shí)間專(zhuān)注于實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用代碼以及更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年3月期）