通过智能电机控制优化实时性能与效率的方案

数十年来，大多数电机控制应用都依赖于可为其实现低成本与实施简便性的通用有刷 DC 与步进电机。不过，随着微处理器 (MCU) 架构的不断创新与集成度的不断提高，当今开发人员能够采用更先进与更智能的电机类型与控制机制，以极低的成本提高电机的精度、性能、电源效率和使用一系列状态简化控制复杂性。所支持的状态越多，对位置的控制精确度就越高，但这同时也意味着需要更复杂的处理过程寿命。



高级电机类型

AC 电感 (ACI) 电机能很好地满足各种不同高性能应用的需求，其中包括白色家电、泵、风扇以及压缩机等(如冰箱和 HVAC 系统)。由于电机的内部定子和转子由可变电流控制且以不同的速度旋转，因而 ACI 电机采“持续”的控制方案来提高定位精度。PMSM 可实现低噪声工作和最小转矩，理想适用于需要高精度位置控制、超高速度和/或极高转矩的应用用异步工作模式。ACI 拥有优异的速度与扭矩控制，能够以较低的成本实现卓越的稳健性，且在高速情况下具有出色的效率。ACI 的主要劣势在于其需要复杂的反馈和控制机制，才能避免速度变化和较低速度时的效率不受影响。

无刷 DC (BLDC) 电机采用同步工作模式，可通过可变电流控制定子磁通量，而定子磁通量则由永磁线圈或电流馈电线圈保持为常量。同步控制能够提供非常高的位置精度，以及更高的电源效率(也就是说，由于磁铁固有的磁通量，因而驱动电机所需的电流可以降低)。BLDC 电机采用一系列状态(参见图 1)对位置进行控制。所支持的状态越多，对位置的控制精确度就越高，但这同时也意味着需要更复杂的处理过程。由于 BLDC 为无刷操作，因而理想适用于维护和磨损对总拥有成本影响较大的应用领域。BLDC 是发展速度最快的一种电机类型，能针对中高扭矩实现高效可靠的操作，具有高功率密度和可用于易燃环境等特性，非常适用于自动化、牵引、精密设备和白色家电等应用。由于 BLDC 采用简单的换向技术，因而这种系统复杂度较低、重量较轻，有助于实现小尺寸、高效率、低成本等优异特性，而且在变速及低速情况下均能实现出色性能。

永磁同步电机 (PMSM) 与 BLDC 电机的不同之处在于采用了“持续”的控制方案(参见图 2)。也就是说，PMSM 可实现低噪声工作、最小的换向转矩纹波，且能与低成本的分布绕组协同配合。其可支持更高的最高可达速度和更高的效率与转矩，因此非常适用于需要高精度位置控制、超高速度和/或极高转矩的应用，例如牵引、高精度自动化(机器人)以及混合动力/电动汽车等。

智能控制机制

对于如何控制不同类型的电机而言，开发人员有许多选择，具体取决于保持电机效率的工作范围(如高/低速度、高转矩)以及需要多高的精度(如位置、速度、转矩等)。每一种控制机制都在成本、电源效率、精度和性能方面拥有最佳的平衡点。

简单的标量控制(也称为 V/f 或单位频率电压)是一种用于驱动 ACI 电机的流行方法，因为这种方法实施起来简单直接，且其相应的处理要求也不高。可通过改变用于驱动电机的正弦波频率来管理速度，无需控制电流或优化转矩。但是，简单的标量控制在高速和低速情况下转矩效率均较低，动态性能不佳，对变化的响应迟缓，对设置点产生过冲，并在低速情况下内部电源损耗非常严重。

磁场定向控制 (FOC) 相对于简单标量控制而言，FOC是一种智能化程度更高的控制机制，根据应用的不同，其更高的复杂性能实现相对更出色的低成本性和电源效率以及更高的精度和性能。此外，FOC 也称为矢量控制，能在整个转矩和速度范围内实现对 ACI 和 PMSM 电机(表 1)的最佳控制。FOC 不仅能在最小化转矩纹波的同时提升起始转矩，而且还能有效支持所有速度的最大转矩。其可对变化进行快速响应并能在满负载条件下保持零速，从而可在整个电机速度范围内确保性能稳定可靠。由于 FOC 采用电流控制模式，因而开发人员可根据特定应用来相应优化电源转换器电路和电机大小。

梯形与正弦控制是 BLDC 电机控制两种最主要的选择。由于梯形控制比较简单且成本较低，因而传统上一直属于首选方法。但是，为了实现更顺畅的操作、更及时的转矩响应性以及更低的电气噪声，现在许多开发人员开始转而采用正弦控制方法。这不仅能提高性能和效率，还能配合分布绕组工作，且在较高速度条件下也能表现出更强大的控制能力，从而有助于 OEM 厂商实现出色的系统差异化。例如，梯形控制法的 EMI(电磁干扰)较高，会造成电机系统不稳定，从而显著影响性能，同时还会加大人耳可觉察的干扰噪音。

反馈

高级控制机制的更高性能和复杂性从一定程度而言都与反馈环路的使用有关。反馈环路可对速度、位置/角度、电流、磁通量以及转矩进行调节。FOC 需要测量速度以及转子与定子之间的角度。梯形和正弦控制则需要测量速度、位置和电流。

开发人员既能够采用传感器也能够采用无传感器方案来实施反馈。就采用 ACI 电机的应用而言，可使用测速计直接测量速度。采用 PMSM 的设计方案则可使用编码器或分解器对位置进行跟踪，同时可通过测量一定时间内的位置变化来计算速度。传感器确实会增加系统的成本和组件数量，但对高精度系统来说往往是必需的。

对于无传感器的方案而言，需要通过滑模 (Sliding Mode) 和模型参考自适应系统 (MRAS) 等“状态观察器”根据实时电流与电压的测量结果对电机的速度和角度进行建模(也就是进行估算)。这种方法的益处是电流和电压传感器比位置传感器(采用单个 DC 分流就能以低成本的方式对电流进行可靠的测量)便宜得多，但实施数学电机建模工作会占用系统微处理器一定量的 MIPS 资源。



集成型电机控制

当前片上系统集成的发展趋势改变了开发人员实施电机控制的方式。现在，支持智能控制机制实施的 MCU 成本还不足 2 美元，即便对大量低成本应用而言也足以接受，有助于提升性能、效率和精度。举例来说，德州仪器 (TI) 的低成本 C2000 Piccolo MCU 可在单颗芯片上控制两个电机，同时仍能为功率因数校正 (PFC) 等其他高价值特性预留足够的性能空间。此外，这种微处理器还集成了众多基于硬件的特性，能够进一步提升性能和效率。

● 加速器：基于硬件的处理能将主 MCU 解放出来，进而加快计算速度并简化整体设计;例如，控制律加速器 (CLA) 能完全承担起整个闭环 FOC 系统的处理任务;除了可提升电机控制的精度之外，加速器还能提供更多的处理预留性能空间，使开发人员能够通过抽象来简化设计，实施更高级的算法和/或采用成本更低的 MCU。

● 电机控制专用外设：MCU 上的集成外设不仅能降低系统成本、提高系统精度，而且还能加速设计进程;例如，高分辨率和已同步的 ADC 能让 MCU 通过 CPU 获取来实现 ADC 采样同步，以执行时延极低的高准确度电流测量;基于硬件的可编程 PWM 配合增强型特性不仅能优化性能，还能提升效率，并确保 ADC 采样不与 PWM 切换同时发生;最后，诸如 CAP/QEP 传感器接口等集成型接口能够显著简化设计工作、减少组件数，并降低系统成本。

● 实时调试支持：电机控制应用面临的一个特殊挑战，就是要在电机不间断运行的情况下，持续提供中断的同时进行系统调试;为了实现这一目标，需要让基于硬件的实时调试电路系统帮助开发人员以非侵入式的方式直接存取内部微处理器资源;此外，基于硬件的调试还可对已部署的系统进行现场故障排除。

加速开发进程

获得设计与调试所需的软硬件是最大限度加速开发进程的关键。比方说，通用硬件平台能帮助开发人员实现设计的可扩展性，能针对不同应用实现软件的重复使用，如从简单的电机应用直到高端的高精度应用等。此外，提供丰富电机控制库的可视开发工具也能进一步扩展平台的价值，使开发人员能够将现有框架进行快速调谐以适用于特定的应用领域，从而实现高级别的功能。

可视开发工具使开发人员能够将现有框架进行快速调谐以适用于特定应用，从而实现高级别的设计。例如双通道无传感器 FOC 式 PMSM 系统的增量构建。在这一点上，开发人员能够确认目标独立的模块、占空比以及 PWM 更新。此外，对电机表现建模的功能还可帮助开发人员在电机断连时确认 PWM 操作，从而可避免意外熔断。

开发人员通常可通过采用定点 MCU 来降低系统成本，不过代价是要手动管理数学精度与分辨率问题。采用诸如 TI IQMath 等库抽象化算法设计，算法代码可在 MCU 以及应用、控制机制与电机类型之间进行移植。此外，抽象性还可简化第三方电机控制软件与开发平台(如 Mathworks 的 Embedded Target 与 Visual Solutions 的 VisSim 等)之间的集成，促进代码重复使用，而且即便在浮点与定点 MCU 之间也可实现代码的“上下”移动。

专为电机控制应用设计的高集成 MCU 的推出使开发人员不仅能够降低现有系统成本，而且还可采用更智能的控制机制提高系统性能、精度以及效率。开发人员通过了解其可使用的不同电机类型与控制方法，就可选择适当的方法与控制智能水平来构建易于扩展的高稳健系统，该系统不但支持各种增值特性，而且还可充分利用长期的代码投资。