利用雙電機(jī)控制技術(shù)簡化高能效電器設(shè)計

　　如今越來越多的電器制造商采用變速永磁(PM)同步電機(jī)來提高能效、增加產(chǎn)品特性。工業(yè)驅(qū)動器制造商很早就認(rèn)識到PM電機(jī)具有高能效和高功率重量比，但控制電子技術(shù)的最新進(jìn)展才使得PM電機(jī)被電器制造商廣泛采納。

　　只需采用直流環(huán)節(jié)電流反饋技術(shù)的定向控制(FOC)可最小化系統(tǒng)成本，對電器驅(qū)動器應(yīng)用非常有吸引力。電機(jī)的正弦控制可產(chǎn)生平滑的扭矩輸出，輸出的聲學(xué)噪聲很低。因此，F(xiàn)OC適合用在風(fēng)扇、水泵、洗衣機(jī)和干衣機(jī)等低噪聲和高能效非常重要的設(shè)備中。

　　空調(diào)和洗衣干衣機(jī)等許多電器設(shè)備必須獨(dú)立控制兩個電機(jī)的速度，以優(yōu)化它們的性能。這些系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)方法是使用帶串行通信鏈路的電機(jī)控制處理器來實現(xiàn)同步。但是，如果用一個器件控制兩個電機(jī)，就可以大大簡化硬件和系統(tǒng)設(shè)計。最近推出的電器控制平臺可僅利用直流母線電流反饋技術(shù)同時控制兩個PM交流電機(jī)，該芯片采用嵌入式FOC算法，可縮短開發(fā)時間，并推動電器制造商快速采納這種技術(shù)。

　　無傳感器電機(jī)控制算法的實現(xiàn)

　　FOC在工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)中很常見，它一般采用編碼器或分解器測量轉(zhuǎn)子的位置。閉環(huán)電流控制算法利用轉(zhuǎn)子的角坐標(biāo)校正電機(jī)電流和轉(zhuǎn)子磁通，從而實現(xiàn)扭矩輸出的最大化。電器控制系統(tǒng)中先進(jìn)的轉(zhuǎn)子位置估算算法無需使用高分辨率位置傳感器(圖1)。

圖1：定向控制(FOC)系統(tǒng)通過使用直流環(huán)節(jié)電流反饋技術(shù)消除了對位置傳感器的需求。

　　估算算法根據(jù)采用繞組電壓和電流的電機(jī)模型，獲得PM的轉(zhuǎn)子磁通位置。這種方法非常合適，因為轉(zhuǎn)子上的磁體決定了轉(zhuǎn)子磁通的位置。繞組電流測量數(shù)據(jù)是利用基于功率變換器的狀態(tài)知識的正確的ADC采樣時序，從直流環(huán)節(jié)電流中獲得的。系統(tǒng)框圖表明，繞組電流測量數(shù)據(jù)和繞組電壓驅(qū)動值是計算轉(zhuǎn)子角位置和角速度的轉(zhuǎn)子磁通模型的輸入。扭矩和磁通控制環(huán)路不僅能在較低速度范圍內(nèi)實現(xiàn)最大的扭矩輸出，還可以實現(xiàn)弱磁下的高速操作。

　　在第一代FOC電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，這些功能是由模擬和數(shù)字器件的組合電路實現(xiàn)的。如今，這些電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的大部分已采用高速DSP或RISC處理器在單個器件上實現(xiàn)相關(guān)算法。軟件實現(xiàn)不僅帶來了靈活和硬件簡單的優(yōu)點(diǎn)，也給驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)人員帶來重要的軟件開發(fā)任務(wù)。生成控制算法的軟件代碼需要許多步驟。第一步，系統(tǒng)工程師將控制原理圖轉(zhuǎn)換成代表各種控制功能的微分方程組。第二步，軟件工程師將這些微分方程轉(zhuǎn)換成代表處理器執(zhí)行指令的C代碼。這個過程出錯，從而延長開發(fā)時間，除非代碼具有很好的結(jié)構(gòu)和文檔，并有長期軟件維護(hù)小組。RISC處理器和DSP供應(yīng)商可以提供一整套FOC軟件實例來幫助電機(jī)驅(qū)動公司加快開發(fā)進(jìn)程。這是很有可能的，因為FOC控制技術(shù)非常成熟，所以算法結(jié)構(gòu)也可以定義得非常完善。然而，軟件實現(xiàn)在目前是沒有特別優(yōu)勢的，因為算法結(jié)構(gòu)的靈活性不是必需的。

　　控制系統(tǒng)設(shè)計工程師可以利用數(shù)字ASIC或FPGA技術(shù)，以硬件方式實現(xiàn)FOC算法。開發(fā)過程的第一步與軟件方法沒太大區(qū)別，但在第二步中不再使用C代碼，而是由硬件工程師將微分方程轉(zhuǎn)換成代表邏輯門互連的Verilog代碼。這種設(shè)計可以在控制寄存器中定義并存儲控制參數(shù)，以提供靈活性，但在數(shù)字ASIC中實現(xiàn)算法結(jié)構(gòu)的硬連線。這種方法在要求高速處理的電信系統(tǒng)中非常普遍，許多電機(jī)控制ASIC可以實現(xiàn)FOC和其它電機(jī)控制功能。這種方法的優(yōu)點(diǎn)不僅在于執(zhí)行速度，還在于它能顯著縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。

　　運(yùn)動控制引擎(MCE)則提供另一種方法，該方法兼有專用ASIC硬件的高速性能和可編程處理器的靈活性。這種方法特別有效，因為FOC算法使用了許多標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，比如誤差放大器、比例積分(PI)補(bǔ)償器，以及會多次出現(xiàn)在控制電路中的矢量旋轉(zhuǎn)器。MCE由硬件電機(jī)控制函數(shù)庫組成，通過將輸入和輸出存儲器地址分配給相應(yīng)的系統(tǒng)變量，可高效地實現(xiàn)運(yùn)動控制定序器與這些函數(shù)的互連。

　　控制系統(tǒng)工程師不需要將控制原理圖轉(zhuǎn)換成微分方程組，因為在MCE庫中具有經(jīng)過充分優(yōu)化的ASIC實現(xiàn)。相反，控制系統(tǒng)工程師采用原理圖編輯工具，以圖形化的方式通過互連運(yùn)動控制庫中的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)來確定控制原理圖。圖形化編譯器將控制原理圖轉(zhuǎn)換成用于互連硬件控制函數(shù)的MCE定序器命令。編譯器將MCE的共享RAM區(qū)中的各個地址，分配給控制節(jié)點(diǎn)定義的每個算法變量。MCE定序器命令定義每個控制函數(shù)塊以及輸入輸出變量的存儲器地址。因為MCE將這些命令存儲在存儲器中，所以具有與RISC處理器和DSP一樣的靈活性。

　　PWM開關(guān)頻率設(shè)置算法執(zhí)行的時序、ADC采樣率和輸出電壓的更新速率。MCE庫元件代表空間矢量調(diào)制器和ADC輸入，但它們在控制原理圖中只出現(xiàn)一次，因為它們與物理的輸入輸出引腳相對應(yīng)。另一方面，矢量旋轉(zhuǎn)器或PI補(bǔ)償器等MCE庫控制函數(shù)可以多次出現(xiàn)在控制算法中，因為MCE將它們的輸入輸出存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。庫函數(shù)的每次實例化都會占用數(shù)據(jù)存儲器空間來存儲變量和MCE指令，因此存儲器容量限制了算法的復(fù)雜性。每個庫函數(shù)在每次執(zhí)行時都會占用一定的系統(tǒng)時鐘周期，因此控制環(huán)路總的時鐘周期數(shù)必須小于PWM周期中的時鐘周期數(shù)。

轉(zhuǎn)子角度估算器和電流控制環(huán)路大約要消耗1,400個系統(tǒng)時鐘周期，相當(dāng)于128MHz最大系統(tǒng)時鐘頻率下的11μs時間。這樣，在相當(dāng)于20kHz開關(guān)頻率的50μs PWM周期下，可以同時實現(xiàn)對兩個電機(jī)的控制。當(dāng)然，為控制兩個電機(jī)，芯片需要兩套空間矢量PWM調(diào)制器和用于電流采樣的額外模擬輸入端。圖2是一個雙電機(jī)控制IC的結(jié)構(gòu)圖，它包含嵌入式運(yùn)動控制引擎和用于執(zhí)行應(yīng)用層代碼的8位微控制器內(nèi)核。這種方法的優(yōu)勢是它能將在微控制器上執(zhí)行的慢速系統(tǒng)級功能與MCE執(zhí)行的高速電機(jī)控制算法分隔開來。

圖2：包含用來執(zhí)行應(yīng)用層任務(wù)的8位微控制器的雙電機(jī)控制芯片

　　MCE庫函數(shù)

　　高速執(zhí)行控制算法的關(guān)鍵是MCE庫函數(shù)在ASIC中的實現(xiàn)效率。兩個重要的反饋控制單元(PI控制補(bǔ)償器和矢量旋轉(zhuǎn)塊)可以作為庫函數(shù)的典型例子。ASIC實現(xiàn)需要優(yōu)化硅片和時鐘周期的使用，并同時不犧牲魯棒性和可靠性。

圖3：比例積分(PI)控制補(bǔ)償器可高效地使用MCE硬件資源和時鐘周期

　　眾所周知的PI控制補(bǔ)償器的ASIC實現(xiàn)(圖3)基于連續(xù)時域轉(zhuǎn)移函數(shù)：

　　將這個表達(dá)式轉(zhuǎn)換到離散時間域就可以產(chǎn)生一組定義ASIC實現(xiàn)的微分方程：

　　為保持低輸入電平時的精度，并將輸出重新調(diào)節(jié)到16位變量，積分項的總和具有32位分辨率?？癸柡湍K可以在輸出達(dá)到系統(tǒng)的物理極限時，防止積分項飽和。

　　矢量旋轉(zhuǎn)模塊是一個二維矩陣函數(shù)，用來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和固定參考系之間的電壓轉(zhuǎn)換。前向旋轉(zhuǎn)具有正弦和余弦項：

　　有多種三角恒等式可以將正弦和余弦項的運(yùn)算簡化為0到90?范圍的正弦函數(shù)運(yùn)算,但根據(jù)可用硬件的不同，該項的運(yùn)算會有所變化。在一些微控制器實現(xiàn)中，快速乘法函數(shù)的缺乏將迫使軟件開發(fā)人員依賴簡單的查找表。在具有單周期乘法指令的DSP或RISC處理器中，可用泰勒展開式計算正弦函數(shù)。

　　針對基于一系列加法、減法和移位函數(shù)，僅在13個周期內(nèi)就可實現(xiàn)12位精度的ASIC實現(xiàn)，開發(fā)被稱為CORDIC算法的矢量旋轉(zhuǎn)函數(shù)(圖4)。這種運(yùn)算要比在32位RISC處理器上使用泰勒展開式進(jìn)行運(yùn)算快10倍。

圖4：CORDIC算法計算矢量旋轉(zhuǎn)的速度比使用泰勒展開式的方法快一個數(shù)量級

　　簡化電機(jī)控制

　　盡管可能存在許多種配置，但圖5所示的采用單個控制IC操作雙電機(jī)平臺的配置是最高效的。這種配置不僅能消除用來控制第二個電機(jī)的第二個IC(該IC導(dǎo)致了不必要的冗余設(shè)計)，還使得兩個電機(jī)的復(fù)雜接口設(shè)計成為可能。例如，當(dāng)一個電機(jī)發(fā)生故障(比如短路或閉鎖)，第二個電機(jī)可以立即像反射動作一樣被去激勵，從而減少與主控制系統(tǒng)通訊相關(guān)的延遲。以空調(diào)應(yīng)用為例，壓縮機(jī)電機(jī)的速度和蒸發(fā)器風(fēng)扇要求相互跟蹤以優(yōu)化工作效率，控制系統(tǒng)通過直接寫入MCE寄存器設(shè)置電機(jī)速度，并避免多個IC之間的復(fù)雜通訊。

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圖5：通過單個平臺提供的雙電機(jī)控制可以消除冗余硬件和對兩個分離控制器之間的復(fù)雜通訊鏈路的需求，并能實現(xiàn)兩個電機(jī)之間的復(fù)雜接口。