多电机控制系统设计

近年来，科技进步引领微控制器 (MCU) 的使用快速增长，并广泛应用于洗衣机、空调及其他家电。而现代电机控制算法，则可以让这些产品从中受益，实现高效安静运行。MCU 还能应用于物联网应用的机对机通信以及整机控制中。总的来说，制造商能够生产更高效、运行噪音更小的电器，并且在提高性能安全的同时保持高性价比。

开发现代电器时，需要同时控制多个电机对工程师来说会是一大挑战。工程师不仅要处理更高的复杂性，还必须确保任何情况下的安全运行，包括设备故障时的安全。

如图 1 的空调系统所示，需要控制多个电机，包括一个压缩机、数个室内单元风扇及数个室外单元风扇。所有电机必须高效、低噪音地运行，能够准确地侦测过流、过热、机械损坏等问题，以确保故障时也能安全运行。


图1: 空调系统配有多个电机，包括一个压缩机、数个室内单元电机及数个室外单元电机

优化功能

图2所示为现代电机控制中常用于永磁同步电动机 (PMSM) 的向量控制和磁场定向控制 (FOC) 算法。左边的浅蓝色模块表示软件内执行的功能，包括坐标变换（Clarke、Park 及其逆变量）和 PID（比例、积分、微分）控制器等。

“内部硬件”由专用的微控制器外设组成，这让软件模块能够有效地执行。其中模拟数字转换器(ADC) 用于测量与脉冲宽度调制 (PWM) 同步的电机绕组的电流，并馈送回控制算法。控制算法的输出必须传达至逆变器中的功率开关器。逆变器则使用 PWM 控制技术来驱动电机，包括用于应对功率晶体管有限开关速度的死区时间插入。


图2: 用于交流空调电机控制的逆变器算法，分为软件、内部及外部硬件三大模块

内部硬件中的多功能计时器 (MFT) 不但可以为每一个输出信号 (u、v、w) 及其互补信号 (u-、v-、w-) 产生基本 PWM 脉冲，包括死区时间。这些信号是用于驱动输出桥的高低侧开关。在这个示例中，采用内部正交位置和分辨率计数器(QPRC) 外设以获取转子位置信息。磁场定向控制（FOC） 算法执行所需的转子信息可通过工业环境中 PMSM 电机上安装的光学或磁性编码器获取，如伺服驱动器。在家用电器或其他应用中，该模块通常使用“无传感”控制方法实行。无传感控制通过电机数学模型计算转子距离已测量电机电流的位置，而不是测量转子的位置。

当一个微控制器控制多个电机时，进行高效、实时的密集计算需要一个复杂的软件架构。而这种软件架构开发难度高、调试耗时大、并且难以测试电机性能是否达到要求的质量和安全水平。多功能计时器和转速表此类集成外设可以通过减少 MCU 的计算量来简化多电机控制。此外，可利用软件库协助外设进一步简化设计，并缩短上市时间。

使用多个 多功能计时器 可以实现微控制器向多个电机输出信号。例如，赛普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 集成了 3 个 多功能计时器，令多达 18 个 PWM 通道（例如，9 对互补信号）能够控制三相电机。每个多功能计时器单元包含 3 个通道的自由运行计时器、6 个输出比较单元、4 个输入捕获单元、数个 ADC触发器单元以及 1 个波形发生器 (WFG) 。另外，多功能计时器 支持紧急停机和噪音消除器。

仅需几个步骤，多功能计时器就可以产生一个 PWM 波形。自由运行计时器可以为 PWM 信号提供时间基准，并确定 PWN 的分辨率和频率。输出比较单元 (OCU) 能为每个输出相位确定占空比信号 RT1、3、5（注意：图3 显示的示例配置仅使用 3 个输出比较单元。）信号发生器发出相应的互补信号 RTO0-RTO5，包括从 RT 信号自动插入死区时间，现在可以控制 FET 此类功率管或 IGBT 功率管。信号发生器也可以处理此类问题，如故障引起的过流。PWM 则可以立即关机。这不需要软件参与，也不要启动故障安全运行。

波形发生器的噪音消除器可以侦测有效的过流事件，也就是说，不会触发短暂的尖峰噪声。就过流事件而言，波形发生器将 MCU 输出管脚从 RTO0-RTO5 切换回他们的正常通用输入\输出 (GPIO) 功能。这让初始化时相应寄存器的预编程能够定义故障安全状态（例如，高输出、低输出或高阻）。除了硬件 PWM 关机，还会允许中断，以在应用层面上进一步处理故障问题。


图3: 运用多功能计时器产生 PWM 波形

QPRC 在使用正交编码器的电机控制系统中起着重要的作用。它有三个输入通道 - AIN、BIN 和 ZIN，用于输入两个正交信号和一个可选的零指数信号。通过这些信号，QPRC 可以侦测转子位置和转动方向。另外有一个分辨率计数器会在每次转动后增速或减速。这样，转子转动多次后也能计算出转子的绝对位置。这对线性驱动器、变速箱和其他定位应用都非常有用。