設(shè)計(jì)高性能和低功耗的電機(jī)控制系統(tǒng)

FOC是一種針對(duì)使用永磁(PM)電機(jī)的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的重要技術(shù)。PM電機(jī)在白色家電中的普及度日益增加，它們具備更高的功率密度且不易磨損，因此效率非常高。

開發(fā)人員僅需提供幾個(gè)矢量和旋轉(zhuǎn)方向就可實(shí)現(xiàn)輸出的實(shí)時(shí)信號(hào)更新。FOC等先進(jìn)的控制機(jī)制是提高性能但不增加成本的重要技術(shù)。Piccolo架構(gòu)大幅簡化了對(duì)稱PWM波形的生成。利用Piccolo MCU，開發(fā)者可以輕松引入更改精確的控制，同時(shí)仍然為PFC留出足夠余量。事實(shí)上，TI是第一個(gè)以2–6美元的價(jià)格點(diǎn)在單芯片上同時(shí)支持PFC和FOC功能的公司。

功率因數(shù)校正

FC可確保電流波形遵循電壓波形，不論負(fù)載或輸入條件出現(xiàn)任何變化，它都能將輸出直流電壓調(diào)節(jié)為常量。當(dāng)以有源數(shù)字方式執(zhí)行PFC時(shí)，PFC能更加精確，并能消除電壓和電流之間的所有相移。減少諧波電流含量非常具有吸引力，因?yàn)樗硎疽殉檫\(yùn)且未使用的無功功率。功率因數(shù)的重要性在于這一事實(shí)：公用事業(yè)公司向客戶提供伏安，卻以瓦特計(jì)費(fèi)。低于1.0的功率因數(shù)要求公用事業(yè)公司生產(chǎn)的伏安數(shù)大于提供實(shí)際功率（瓦特）所必需的最小伏安數(shù)。

此外，PFC還用于平緩功耗和調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，當(dāng)冰箱中的壓縮機(jī)開啟時(shí)，它會(huì)在電力網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的負(fù)載，通常表現(xiàn)為壓降。這類功率峰值和諧波會(huì)損害脆弱的電子系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到峰值時(shí)，如果沒有PFC，它們傾向于抽運(yùn)未消耗的功率，因而會(huì)降低總效率。此外，即使是在動(dòng)態(tài)負(fù)載下，PFC也能讓直流總線電壓保持穩(wěn)定。

PFC對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)鏈下游也有進(jìn)一步影響。由于電力公司需要生成更大的功率電容以適應(yīng)峰值，因此，行業(yè)鼓勵(lì)電子產(chǎn)品制造商采用PFC等技術(shù)來平緩功耗。在某些情況下，必須采用PFC - IEC 60730要求歐洲市場出售的白色家電中必須采用PFC。

PFC的模擬或無源實(shí)施被鎖定為單個(gè)模式，對(duì)操作條件變化的反應(yīng)能力有限。相反，有源或數(shù)字控制的PFC能作用于并適應(yīng)操作條件的變化。例如，當(dāng)空調(diào)即將打開壓縮機(jī)時(shí)，PFC能在瞬時(shí)中斷時(shí)主動(dòng)補(bǔ)償較大的負(fù)載。這不僅能減少生成的瞬態(tài)數(shù)量，還能使功率使用更為高效。數(shù)字PFC的靈活性也使開發(fā)人員可使用可能比PFC無源實(shí)施更復(fù)雜的PFC拓?fù)洹?P>不可小覷高分辨率PWM和A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)有效PFC的重要性。維持模擬和數(shù)字域交匯處的信號(hào)完整性極其重要，因?yàn)檫@些交界處出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤都會(huì)降低性能。

多個(gè)電機(jī)的控制

許多系統(tǒng)都使用多個(gè)電機(jī)。例如，HVAC系統(tǒng)需要管理一臺(tái)壓縮機(jī)和一臺(tái)風(fēng)扇。大多數(shù)實(shí)施要求每個(gè)電機(jī)和其他電機(jī)使用獨(dú)立的控制器以實(shí)施PFC。

C2000 Piccolo MCU是第一種能夠使用單芯片通過PFC管理兩個(gè)電機(jī)的控制器。許多MCU沒有為控制多個(gè)電機(jī)及執(zhí)行主動(dòng)PFC所需的計(jì)算能力或集成外設(shè)。例如，控制電機(jī)可能需要工作頻率高達(dá)20KHz的控制回路。另一方面，PFC需要約為50至100KHz的工作頻率。為了可靠地執(zhí)行此類高頻控制算法 - 這種情況下為兩個(gè)控制電機(jī)和一個(gè)管理PFC - MCU必須能夠在幾乎無延遲的情況下迅速有效地處理計(jì)算。

控制多個(gè)電機(jī)的能力不僅可以降低系統(tǒng)成本，還可以提高總功率效率和性能。對(duì)于操作雙電機(jī)的應(yīng)用，兩個(gè)電機(jī)都受相同MCU的控制，這一事實(shí)能夠讓控制器協(xié)調(diào)一臺(tái)電機(jī)相對(duì)于另一臺(tái)電機(jī)而言的加速速度。此外，由于兩個(gè)電機(jī)都抽運(yùn)相同的電流源，也可以對(duì)PFC實(shí)施進(jìn)行協(xié)調(diào)以取得更佳結(jié)果。

無傳感器控制

另一個(gè)潛在成本節(jié)約方面在于無傳感器反饋。可使用建模技術(shù)來精確地確定電機(jī)位置或速度，而非使用速度和/或位置傳感器。要控制PM無刷直流電機(jī)，位置和速度信息至關(guān)重要。在當(dāng)今許多系統(tǒng)中，傳感器都用于收集此數(shù)據(jù)，將此作為控制算法的輸入。但是，從規(guī)模、成本、維護(hù)和可靠性角度來看，這些傳感器并不具有吸引力。

對(duì)于某些應(yīng)用，傳感器絕對(duì)必要。例如，用于醫(yī)院呼吸機(jī)的氧氣泵需要足夠的精度來確保固定流速。使用自定義電機(jī)時(shí)，創(chuàng)建精確的模型可能會(huì)非常困難。對(duì)于非常低速的系統(tǒng)應(yīng)用，可能不存在足夠的反饋來支持無傳感器實(shí)施。

然而，對(duì)于許多應(yīng)用（包括白色家電）而言，這種精度并非必要，因此，可引入無傳感器控制以降低系統(tǒng)成本。例如，當(dāng)永磁同步電機(jī)處于使用狀態(tài)時(shí)，可使用名為滑模觀測器的動(dòng)態(tài)模型替代傳感器，該觀測器的實(shí)施既強(qiáng)大又簡單。此外，可通過最壞情況下極低的速度誤差實(shí)現(xiàn)較高的功率效率。

消除傳感器的使用需要控制器模擬電機(jī)的狀態(tài)，這樣便能正確估算出相應(yīng)的位置/速度。為了保持足夠的模型精度，需要對(duì)電壓進(jìn)行精確的高頻監(jiān)控。對(duì)于這項(xiàng)工作，Piccolo MCU提供了集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器，可以為大多數(shù)應(yīng)用提供正確的精度水平。

對(duì)于不需要傳感器的應(yīng)用，Piccolo MCU設(shè)計(jì)為支持正交編碼器和測速發(fā)電機(jī)。對(duì)于需要編碼器的應(yīng)用，Piccolo器件包含集成的增強(qiáng)型正交編碼器脈沖(QEP)，它可以自動(dòng)將光編碼器脈沖轉(zhuǎn)換為速度和方向，同時(shí)僅使用兩個(gè)數(shù)字輸入和一個(gè)16/32位內(nèi)部定時(shí)器寄存器。QEP是TI致力于通過降低系統(tǒng)復(fù)雜性來加快開發(fā)速度的另一個(gè)例子。通過自動(dòng)處理脈沖解碼并輸出位置和速度，QEP讓開發(fā)人員免去了必須親自創(chuàng)建此代碼的過程，這樣，他們便能夠集中精力讓自己的應(yīng)用與眾不同。

Piccolo MCU的QEP在下述方面特別具有多用途性：它幾乎可以連接任何正交編碼器，包括需要時(shí)鐘信號(hào)、生成自己的時(shí)鐘信號(hào)以及不使用時(shí)鐘的解碼器。不采用QEP的MCU要求開發(fā)人員使用GPIO捕獲脈沖，然后在軟件進(jìn)行解碼，這種方式會(huì)使維持高頻控制環(huán)路的實(shí)時(shí)可靠性復(fù)雜化。

存在各種類型的測速發(fā)電機(jī)；一些提供與電機(jī)速度成比例的直流電壓。通過將某一Piccolo MCU的A/D轉(zhuǎn)換器輸入接口連接到測速發(fā)電機(jī)的輸出接口，可以輕松計(jì)算出這一速度。對(duì)于使用簡單霍爾效應(yīng)傳感器來輸出若干電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的低成本電機(jī)，軟件驅(qū)動(dòng)器通常會(huì)測量脈沖頻率并跟蹤電機(jī)方向。

Piccolo MCU可以使用其集成的增強(qiáng)型捕捉外設(shè)(eCAP)簡化此軟件驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。eCAP觸發(fā)霍爾效應(yīng)脈沖上升沿和下降沿的關(guān)閉，并自動(dòng)計(jì)算脈沖間的寬度和周期。此外，eCAP在需要讀取之前能捕獲多達(dá)四個(gè)脈沖。

降低系統(tǒng)成本

理想的系統(tǒng)可以將模擬和數(shù)字技術(shù)整合在一起，并充分利用某一價(jià)格點(diǎn)的可用處理能力。

Piccolo MCU架構(gòu)背后的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一，是在單芯片上集成的功能的數(shù)量。通過在數(shù)字域執(zhí)行任務(wù)，可以減少元件數(shù)。這直接降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性。不足之處是MCU必須能夠具有成本效益地吸收增加的負(fù)荷。

在所有速度范圍上實(shí)現(xiàn)有效控制，使開發(fā)者設(shè)計(jì)的電源器件的容量能夠與應(yīng)用需求達(dá)到最佳匹配，從而提高功率和成本效益。這也能帶來更流暢的操作和更佳的性能，可減少影響工作壽命的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)等問題。

對(duì)于無傳感器應(yīng)用，可以顯著節(jié)省成本。不使用傳感器除了可以從系統(tǒng)BOM中去除這些傳感器外，還可以省去安裝傳感器接口。不僅制造商的系統(tǒng)更加便宜，故障點(diǎn)也減少了。

自我監(jiān)測的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出僅將以前的模擬功能遷移到數(shù)字化實(shí)施。多達(dá)16個(gè)A/D通道，外加可編程自動(dòng)序列發(fā)生器，簡化了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的不同電流、電壓和傳感器的監(jiān)測過程。用于增加電機(jī)精度和性能的數(shù)據(jù)也可以用來診斷潛在問題。例如，通過觀察機(jī)械振動(dòng)的頻譜，系統(tǒng)在故障早期即可以識(shí)別、預(yù)測系統(tǒng)故障并采取行動(dòng)。