電機(jī)發(fā)展趨勢及設(shè)計需求

摘要：  在能源短缺及環(huán)保要求雙重壓力下，更高的能效、更出色的動態(tài)性能和更低的運(yùn)行噪聲已成為電機(jī)驅(qū)動的重要設(shè)計要求。

關(guān)鍵字：  直流電機(jī)，BLDC，PMSM，德州儀器，三相無刷電機(jī)

提升電機(jī)的運(yùn)行效率已變得越來越重要，無論是工業(yè)、家庭還是商業(yè)用電，電機(jī)都是耗能的“第一大戶”。IEA(國際能源機(jī)構(gòu))曾指出，電機(jī)功耗占全球總能耗的45%，提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率將使全球電力消耗降低9%～14%。在能源短缺及環(huán)保要求雙重壓力下，更高的能效、更出色的動態(tài)性能和更低的運(yùn)行噪聲已成為電機(jī)驅(qū)動的重要設(shè)計要求。

三相無刷電機(jī)需全新解決方案

BLDC需要新的解決方案提供模塊化的先進(jìn)馬達(dá)控制軟件庫，最大限度減少軟件設(shè)計工作。

在交流電機(jī)、直流電機(jī)兩類電機(jī)中，直流電機(jī)取代交流電機(jī)已是趨勢使然。直流電機(jī)又分為直流有刷及無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)中的三相無刷直流(BLDC)電機(jī)和永磁異步電機(jī)(PMSM)因為體積更小、可靠性更高、運(yùn)行效率更高，更加契合環(huán)保需求。德州儀器(TI)的MCU業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻就表示，為了實現(xiàn)高可靠性、低成本和高效率，業(yè)界正從有刷向三相無刷電機(jī)邁進(jìn)。

飛兆半導(dǎo)體公司BLDC產(chǎn)品線市場經(jīng)理簡文烯也介紹說，AC(交流)馬達(dá)轉(zhuǎn)向BLDC馬達(dá)的趨勢越來越明顯，據(jù)預(yù)計，2010年～2015年全球主要家用電器的出貨量增長32%，而PMSM/BLDC馬達(dá)的采用比例也將增長一倍，因為其在體積、效率、轉(zhuǎn)速控制、壽命等方面都更出色。

此外，在BLDC類型中也呈現(xiàn)由有傳感器向無傳感器轉(zhuǎn)型的趨勢。吳健鴻表示，如在傳統(tǒng)磁場定向控制(FOC)電機(jī)設(shè)計中，采用轉(zhuǎn)子傳感器既會增加成本，還可能會降低可靠性，從而對系統(tǒng)造成不利影響。此外，在某些特定應(yīng)用如封閉式壓縮機(jī)或大型牽引設(shè)備等應(yīng)用中采用傳感器也是不可行的。

雖然業(yè)界一致看好BLDC，但采用BLDC馬達(dá)也面臨多重挑戰(zhàn)，如需要更高級、更復(fù)雜的電機(jī)控制算法，以及更少的開發(fā)成本和更快的開發(fā)效率等。“因而需要新的解決方案提供模塊化的先進(jìn)馬達(dá)控制軟件庫，最大限度減少軟件設(shè)計工作(但仍提供可編程的系統(tǒng)控制和通信接口)等?！焙單南┍硎?。吳健鴻也指出，無傳感器FOC電機(jī)技術(shù)雖可帶來許多系統(tǒng)優(yōu)勢，但許多行業(yè)都因缺乏電機(jī)控制系統(tǒng)知識而不得不延遲采用和推廣這些技術(shù)。

MCU主角配角兩相宜

電機(jī)控制器的走向已呈現(xiàn)分化的趨勢，而MCU扮演的角色也 “主”“次”有別。

對于無刷直流電機(jī)而言，先進(jìn)的FOC方案被廣泛采用，而這需要優(yōu)化的MCU和易用軟件。雖然電機(jī)控制器廠商一致認(rèn)識到電機(jī)的商機(jī)和未來走向，但沿襲以往的經(jīng)驗以及差異化的考量，電機(jī)控制器的走向已呈現(xiàn)分化的趨勢，而MCU扮演的角色也“主”“次”有別。

飛兆最新開發(fā)的集成式電機(jī)控制器FCM8531讓MCU成為一個“配角”。簡文烯介紹，F(xiàn)CM8531的核心是單芯片上集成嵌入式MCU(MCS51)和先進(jìn)馬達(dá)控制器(AMC)，并通過MSFR實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)交換與存儲。其優(yōu)勢在于通過使用預(yù)先配置和存儲在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，從而實現(xiàn)了最少的軟件控制。AMC和MCU均獨(dú)立工作，可避免系統(tǒng)中斷。同時，AMC能實時逐周期電流保護(hù)檢測PWM信號，并且可在微秒內(nèi)關(guān)斷OWM信號以防止系統(tǒng)損壞。“此前飛兆的相關(guān)馬達(dá)控制芯片產(chǎn)品FCM8201/ 8202有MCU接口，而新的FCM8531正是基于此基礎(chǔ)之上，把MCU直接集成到單一芯片之中?！焙單南┍硎?。

這一設(shè)計使得MCU的功能“簡化”為馬達(dá)控制的可配置性選項，比如通信、管理速度控制面板、遙控裝置等?！半m然其他廠商推出的MCU是以32位為主，但飛兆從應(yīng)用角度出發(fā)，認(rèn)為MCU的作用是擴(kuò)展可配置性和實現(xiàn)差異化，因此采用8位8051核。一般電機(jī)MCU單元需要工程師具備軟件撰寫的能力，飛兆的方案則降低了開發(fā)技術(shù)門檻，并可大幅縮短開發(fā)周期。”簡文烯說。簡文烯還表示，以后會在控制器中集成更多的AMC，通過開關(guān)來控制不同步工作的電機(jī)。

飛兆有些劍走偏峰的意味，而英飛凌卻是致力于讓基于32位ARM核的MCU作更多的功能集成，以“主角”的身份實現(xiàn)有的放矢的電機(jī)控制。英飛凌最新推出基于ARM　M0核的XMC1000系列微控制器XMC1300就針對電機(jī)控制做了很多優(yōu)化，并以“32位功能、8位價格”的高性價比來打開市場之門。英飛凌科技股份有限公司工業(yè)與多元化市場微控制器部門高級總監(jiān)Stephan Zizala表示，XMC1300集成了一個功能強(qiáng)大的捕獲/比較單元CCU8和位置接口單元，支持精確的電機(jī)位置檢測;同時集成協(xié)處理器CORDIC，可進(jìn)行矢量旋轉(zhuǎn)和硬件除法計算，支持無傳感器FOC解決方案，從而提高電機(jī)運(yùn)行效率，這是其他基于Cortex-M0的單片機(jī)產(chǎn)品所沒有的。此外，XMC1300還包含適用于精確測量和PWM硬件同步化的高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、3個模擬快速比較器以及霍爾傳感器和正交編碼器接口等先進(jìn)外設(shè)，以實現(xiàn)更高效的電機(jī)控制。

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軟件主攻靈活性

目前電機(jī)功能其實已經(jīng)足夠，客戶更關(guān)注價格和解決方案對細(xì)分市場的適應(yīng)度。

不管硬件形式有多少差別，軟件算法是電機(jī)控制中的“靈魂”，沒有高效的軟件，硬件也就成為“無源之水”。

德州儀器最新支持InstaSPIN-FOC的32位C2000微控制器Piccolo F2806x，最具革新性的就是嵌入在MCU只讀存儲器(ROM)中的FAST軟件編碼器。有它可替代過去的電機(jī)傳感器或軟件觀察器，對各種使用條件下的通量、角度、速度和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行可靠、穩(wěn)健估算。吳健鴻表示，以前TI用的是SMO算法，實現(xiàn)FOC需要花費(fèi)較長時間尋找馬達(dá)參數(shù)，F(xiàn)AST則可直接調(diào)用。設(shè)計人員可在5分鐘乃至更短的時間內(nèi)識別、調(diào)節(jié)并實現(xiàn)控制，不但可簡化開發(fā)，而且還可提高所有可變速度及負(fù)載電機(jī)應(yīng)用中的電機(jī)效率、性能與可靠性，客戶更可集中精力進(jìn)行差異化設(shè)計。

而英飛凌XMC1000系列采用與去年發(fā)布的高端XMC4000系列完全相同的免費(fèi)集成式開發(fā)平臺DAVE，還可利用DAVE Apps進(jìn)行模塊化編程。工程師可通過圖形用戶界面進(jìn)行DAVE Apps的選擇、配置和組合，根據(jù)單片機(jī)資源自動進(jìn)行資源分配，并支持自動生成C代碼和軟件文檔?！氨热缭陔姍C(jī)控制的APP應(yīng)用中，既有針對應(yīng)用的，也有基于外設(shè)的，設(shè)計人員只需把所用電機(jī)的參數(shù)和需求等信息輸入即可。當(dāng)然，也可自寫程序?！盨tephan Zizala表示，“截至2月底，已有20個XMC1000 DAVE Apps發(fā)布，預(yù)計全年可達(dá)150個。”[!--empirenews.page--]

為適應(yīng)不同的馬達(dá)設(shè)計，飛兆的AMC也配置了不同的軟件庫，現(xiàn)有速度積分、滑動模式、霍爾接口等，可實現(xiàn)FOC、正弦波控制等。簡文烯表示，飛兆提供的三個庫涵蓋80%的馬達(dá)應(yīng)用，針對20%的特殊應(yīng)用軟件也會在今后添加。

無論如何“軟硬兼施”，最重要的是客戶認(rèn)可度。華中科大某位教授就說，目前電機(jī)客戶覺得功能其實足夠，他們更關(guān)注價格和解決方案對細(xì)分市場的適應(yīng)度。