可配置混合控制器的BLDC電機(jī)設(shè)計

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

從AC電機(jī)轉(zhuǎn)向BLDC電機(jī)

飛兆半導(dǎo)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(jī)消耗的能量占據(jù)工業(yè)能源使用的60%~70%,電機(jī)驅(qū)動電器(洗衣機(jī)、空調(diào)、風(fēng)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(jī)使用的能量，成為了當(dāng)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(jī)和BLDC電機(jī)之間的優(yōu)劣，AC電機(jī)工作效率只有35%,有噪聲，體積比BLDC電機(jī)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(dá)90℃，用途單一，壽命短。而BLDC電機(jī)的效率高達(dá)90%,旋轉(zhuǎn)速度采用線性控制，根據(jù)工作負(fù)荷可自動調(diào)節(jié)，工作溫度為40℃~45℃，應(yīng)用范圍廣泛且壽命長。簡文烯指出，如果電子設(shè)計工程師要將AC電機(jī)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(jī)設(shè)計的工程師對電機(jī)的硬件比較了解，而缺乏對電子控制算法和將復(fù)雜的數(shù)學(xué)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(jī)設(shè)計工程師希望有新的解決方案能夠提供模塊化的先進(jìn)電機(jī)控制軟件庫，能最大限度減少軟件設(shè)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(hù)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(jī)控制的新架構(gòu)。

用于BLDC電機(jī)控制的新架構(gòu)

簡文烯介紹說，為幫助設(shè)計人員應(yīng)對這些成本和軟件負(fù)擔(dān)，飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了FCM8531模擬及數(shù)字集成式電機(jī)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(jìn)的電機(jī)控制器(AMC)，另一個是嵌入式微控制器(MCU)。該產(chǎn)品針對復(fù)雜的電機(jī)控制應(yīng)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(jī)并增強(qiáng)硬件保護(hù)的內(nèi)部通信接口協(xié)作進(jìn)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(fù)擔(dān)，并實現(xiàn)了更高效且快速的負(fù)載響應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)。據(jù)了解，AMC專用于電機(jī)控制，由一個基于硬件的電機(jī)控制器外加一個可以配置為數(shù)種專用電機(jī)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(zé)是MCS 51兼容MCU處理器向AMC提供電機(jī)控制指令，執(zhí)行電機(jī)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(jī)設(shè)計，使用可配置和存儲的飛兆半導(dǎo)體庫執(zhí)行功能強(qiáng)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(jī)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(jī)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(fēng)扇應(yīng)用中的啟動抖動，以及各種風(fēng)扇和泵應(yīng)用中的噪聲和低效率問題。FCM8531具有多種硬件保護(hù)功能，如過壓保護(hù)和過流保護(hù)。其設(shè)計考慮及提供對所有故障模式的快速響應(yīng)，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(qiáng)調(diào)，飛兆這種模擬及數(shù)字集成式電機(jī)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(fù)擔(dān)，并提供靈活的設(shè)計適應(yīng)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(qiáng)大算法，MCU僅需要簡單的系統(tǒng)控制軟件編程。[!--empirenews.page--]

二是可靠性高。AMC和MCU均獨立工作，相互之間不會產(chǎn)生干擾，并行處理器避免了系統(tǒng)掛機(jī)，并提供更高的系統(tǒng)可靠性。

三是有很穩(wěn)健的性能。硬件中基于AMC的實時逐周期電流保護(hù)檢測PWM信號，并且在μs內(nèi)關(guān)斷PWM信號以防止系統(tǒng)損壞。

與此同時，在先進(jìn)的電機(jī)控制軟件庫中，有能夠適應(yīng)各種不同的電機(jī)設(shè)計，AMC可以配置不同的軟件庫。例如，AMC軟件現(xiàn)有：(1)速度積分：無傳感器FOC軟件庫用于具有靜載的應(yīng)用，比如臺扇、空調(diào)扇和吊扇等。(2)滑動模式：無傳感器FOC軟件庫用于具有動態(tài)負(fù)載的應(yīng)用，比如水泵、油泵和壓縮機(jī)。(3)霍爾接口：用于霍爾傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)的具有方波/正弦波驅(qū)動的軟件庫。

飛兆還開發(fā)了易于使用的開發(fā)工具，為用戶提供電機(jī)控制開發(fā)系統(tǒng)(MCDS)IDE和MCDS編程工具套件。該系統(tǒng)與處理核心一起提供一個集成式軟件工程平臺，有利于快速開發(fā)電機(jī)控制程序。當(dāng)與MCDS編程工具套件一起使用時，可快速完成代碼編程，從而可實時調(diào)整電機(jī)運行信號。

FCM8531可配置混合電機(jī)控制器

簡文烯說，F(xiàn)CM8531可配置混合電機(jī)控制器是一款易于使用的完全集成解決方案，帶有完整的開發(fā)工具和先進(jìn)的電機(jī)控制軟件庫，可以實現(xiàn)極快的上市速度。在AMC中，整合有可配置處理內(nèi)核、角度預(yù)測器和PWM引擎(內(nèi)含SAW發(fā)生器、PWM發(fā)生器、SVM發(fā)生器、PWM調(diào)制和超前角控制)。在嵌入式MCU中，有先進(jìn)的指令架構(gòu)、兼容的MCS 51、存儲器容量為12KB Flash編程存儲器，以及256+1KB SRAM數(shù)據(jù)存儲器;有多達(dá)17個GPIO和擴(kuò)展的16位乘/除單元、全雙工串行接口(UART)和IC接口、串行外設(shè)接口(SPI);有三個外部中斷、三個16位定時器和可編程15位看門狗定時器，內(nèi)置上電重置(POR)及時鐘發(fā)生器支持OCDS和ISP.

簡文烯強(qiáng)調(diào)，除AMC和MCU之外，飛兆半導(dǎo)體的完整電機(jī)解決方案還提供了用于電機(jī)系統(tǒng)的所有主要功能構(gòu)件，其中包括：BLDC控制器、集成式PWM控制器、功率因數(shù)校正(PFC)控制器、SPM智能功率模塊、IGBT/MOSFET、HV柵極驅(qū)動器和光耦合器(圖2)。正是這種整體解決方案提供了極高的電源效率和系統(tǒng)可靠性，同時降低工程開發(fā)時間及系統(tǒng)成本，簡化了從交流電機(jī)到BLDC/PMSM設(shè)計的轉(zhuǎn)換。

簡文烯認(rèn)為，F(xiàn)CM8531可配置混合電機(jī)控制器是硬件和軟件集成的理想解決方案，可廣泛應(yīng)用于無傳感器IPM/SPM BLDC/PMSM電機(jī)、風(fēng)扇、泵、電動工具以及電動自行車等。