設(shè)計(jì)高性能和低功耗的電機(jī)控制系統(tǒng)
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本文概述了電機(jī)控制設(shè)計(jì)方面的事項(xiàng)，例如多個(gè)電機(jī)控制、磁場(chǎng)定向控制、功率因數(shù)校正和傳感器控制。此外還介紹了當(dāng)今的微控制器（MCU）如何使各種廣泛的應(yīng)用具有更大精度、更小功耗和更低成本。
當(dāng)今的微控制器（MCU）可使各種廣泛的應(yīng)用具有更大精度、更小功耗和更低成本，包括：
● 帶有風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的白色家電和設(shè)備，例如洗衣機(jī)和冰箱
● HVAC（取暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)
● 用于電機(jī)控制、電源逆變器和機(jī)器人的工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)
● 汽車控制系統(tǒng)，包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向、防鎖死剎車和懸架控制
TI了解開發(fā)者在設(shè)計(jì)這些高性能電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。制造商尋求引入先進(jìn)的控制算法以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，而日益增加的政府法規(guī)要求更高效的功耗和減少EMI。
為了幫助開發(fā)人員應(yīng)對(duì)這些多種多樣的挑戰(zhàn)，TI提供了TMS320C2000 Piccolo MCU系列。Piccolo MCU具有優(yōu)化的架構(gòu)，集成了專用外設(shè)，能夠：
● 使用實(shí)時(shí)算法獲得更精確的控制
● 通過功率因數(shù)校正（PFC）獲得更高的功效和更好的控制
● 支持通過單芯片控制多個(gè)電機(jī)
● 通過無傳感器控制簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
● 降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本
Piccolo的優(yōu)點(diǎn)Piccolo MCU利用TI的高性能TMS320C28x內(nèi)核，提供以單一獨(dú)立控制器控制系統(tǒng)所需的所有性能和外設(shè)。通過充足的余量和專用外設(shè)，Piccolo MCU使開發(fā)者能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的控制算法，在進(jìn)一步提高性能的同時(shí)降低系統(tǒng)成本。
Piccolo架構(gòu)已針對(duì)數(shù)字控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有先進(jìn)的架構(gòu)特性，增強(qiáng)了高速信號(hào)處理能力。Piccolo的主CPU內(nèi)核具有單周期32&TImes;32位乘法及累積單元等內(nèi)置DSP功能，大幅度提高了計(jì)算速度。此外，諸如ADC和PWM等控制外設(shè)設(shè)計(jì)得非常靈活，能夠輕松適應(yīng)幾乎任何用途，而需要的軟件開銷極小。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器所具有的自動(dòng)序列發(fā)生器允許開發(fā)者進(jìn)行編程，以循環(huán)通過特定次序的樣本，這樣當(dāng)應(yīng)用程序需要時(shí)值已就緒。使用更智能的控制外設(shè)和強(qiáng)大的CPU內(nèi)核，控制環(huán)路運(yùn)行更緊密，既改進(jìn)了控制算法的動(dòng)態(tài)特性，又減少了干擾行為。
TMS320F2803x和F2806x Piccolo MCU上集成的控制律加速器（CLA）是一個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加速器，它能有效承載主CPU內(nèi)核的高速控制環(huán)路。CLA在不經(jīng)過CPU內(nèi)核的前提下通過對(duì)外設(shè)的直接訪問和響應(yīng)外設(shè)中斷的能力實(shí)現(xiàn)此過程。與獨(dú)立內(nèi)核相似，CLA有自己的指令集和內(nèi)存空間，可以完全獨(dú)立于CPU進(jìn)行操作。
其他重要的Piccolo MCU特性包括：
● 3.3-V單電源支持全部功能的運(yùn)行
● 雙內(nèi)部高精度振蕩器；無需外部晶體
● 12位A/D轉(zhuǎn)換器具有16通道，最大采樣頻率為每秒4.6兆樣本
● 多達(dá)19通道的PWM輸出，具有可配置自動(dòng)死區(qū)
● 19個(gè)PWM通道中有多達(dá)8個(gè)可以在高分辨率模式下工作，其可以低至150皮秒
● 增強(qiáng)型正交編碼器脈沖（QEP）和增強(qiáng)型捕捉外設(shè)（eCAP）可以簡(jiǎn)化傳感器解碼
精確和準(zhǔn)確控制
Piccolo架構(gòu)提供極佳的處理功能，達(dá)每秒4000至8000萬條指令（MIPS）。這樣的高性能使開發(fā)者不僅能夠同時(shí)監(jiān)視和控制多個(gè)電機(jī)，還能夠執(zhí)行更復(fù)雜的控制算法以實(shí)現(xiàn)更高的精度、更流暢的性能和更低的功耗。例如，單一Piccolo MCU能夠在控制兩個(gè)電機(jī)的同時(shí)維持有源PFC控制，并且仍然有足夠的處理能力來執(zhí)行高級(jí)電機(jī)控制算法，例如無傳感器的磁場(chǎng)定向控制（FOC）。
脈寬調(diào)制（PWM）在產(chǎn)生供應(yīng)給電機(jī)或高性能電源的電壓或電流中發(fā)揮重要的作用?？刂扑惴ǖ淖钚赂倪M(jìn)使開發(fā)人員能夠?qū)嵤└叨染_的算法，以提供與系統(tǒng)行為實(shí)時(shí)變化相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)控制。FOC具有很多優(yōu)勢(shì)，包括低速的全電機(jī)扭矩功能、出色的動(dòng)態(tài)行為、跨越很大速度范圍的高效率、對(duì)扭矩和磁通的解耦控制、短期過載功能和四象限操作。但是，F(xiàn)OC也要求比標(biāo)準(zhǔn)的控制方案明顯更加復(fù)雜的計(jì)算。
FOC原理是通過對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行采樣來控制定子磁場(chǎng)的角度和振幅分量，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其易于控制。電機(jī)的三相電流通過ADC讀入系統(tǒng)。這些相電流處于三相旋轉(zhuǎn)域內(nèi)，并使用Clarke變換將其轉(zhuǎn)換為二維旋轉(zhuǎn)域。由此，可使用Park變換將這兩個(gè)相位轉(zhuǎn)換到固定域內(nèi)，如圖1所示。Clarke和Park變換可被可視化為彼此的矢量投影，如圖2所示。Park變換會(huì)產(chǎn)生通量分量Id和轉(zhuǎn)矩分量Iq。永磁電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩僅取決于轉(zhuǎn)矩分量Iq。因此，最便捷的控制策略即是將通量分量（Id）設(shè)置為零，這將最大限度地減少轉(zhuǎn)矩電流比并提高電機(jī)效率。電流分量的控制需要具備有關(guān)瞬時(shí)轉(zhuǎn)子位置的知識(shí)。轉(zhuǎn)子位置既可使用無傳感器技術(shù)計(jì)算，也可使用傳感器測(cè)量。由于Park變換的輸出位于固定域中，因此可使用PID回路等傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行控制。然后可將PID回路的輸出輸入到逆向Park、逆向Clarke中，然后直接輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
圖3所示為完整的FOC電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用無傳感器技術(shù)以獲取轉(zhuǎn)子位置。三相逆變器的ADCINx和ADCINy輸出是三個(gè)相電流之二；第三種很容易計(jì)算。如上所述，相電流從此處輸入Parke和Clarke變換中。此無傳感器系統(tǒng)根據(jù)三相電流的反饋使用“SMOPOS”和“SMOSPD”計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，消除了使用昂貴傳感器的需求。
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(jiǎn)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。
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