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电机控制器:软硬兼施才能有的放矢

2018年10月23日 14:51:05 中国传动网

无论是工业、家庭还是商业用电,电机是耗能的“第一大户”,提升其运行效率是节能的不二之选。IEA(国际能源机构)曾指出,电机功耗占全球总能耗的45%,提高电机驱动系统的效率将使全球电力消耗降低9%~14%。在能源短缺及环保要求双重压力下,更高的能效、更出色的动态性能和更低的运行噪声已成为电机驱动的重要设计要求。

2010年~2015年全球主要家用电器的出货量增长32%,而PMSM/BLDC马达的采用比例也将增长1倍。

三相无刷电机需全新解决方案

BLDC需要新的解决方案提供模块化的先进马达控制软件库,最大限度减少软件设计工作。

在交流电机、直流电机两类电机中,直流电机取代交流电机已是趋势使然。直流电机又分为直流有刷及无刷电机,直流无刷电机中的三相无刷直流(BLDC)电机和永磁异步电机(PMSM)因为体积更小、可靠性更高、运行效率更高,更加契合环保需求。德州仪器(TI)的MCU业务拓展经理吴健鸿就表示,为了实现高可靠性、低成本和高效率,业界正从有刷向三相无刷电机迈进。

飞兆半导体公司BLDC产品线市场经理简文烯也介绍说,AC(交流)马达转向BLDC马达的趋势越来越明显,据预计,2010年~2015年全球主要家用电器的出货量增长32%,而PMSM/BLDC马达的采用比例也将增长一倍,因为其在体积、效率、转速控制、寿命等方面都更出色。

此外,在BLDC类型中也呈现由有传感器向无传感器转型的趋势。吴健鸿表示,如在传统磁场定向控制(FOC)电机设计中,采用转子传感器既会增加成本,还可能会降低可靠性,从而对系统造成不利影响。此外,在某些特定应用如封闭式压缩机或大型牵引设备等应用中采用传感器也是不可行的。

虽然业界一致看好BLDC,但采用BLDC马达也面临多重挑战,如需要更高级、更复杂的电机控制算法,以及更少的开发成本和更快的开发效率等。“因而需要新的解决方案提供模块化的先进马达控制软件库,最大限度减少软件设计工作(但仍提供可编程的系统控制和通信接口)等。”简文烯表示。吴健鸿也指出,无传感器FOC电机技术虽可带来许多系统优势,但许多行业都因缺乏电机控制系统知识而不得不延迟采用和推广这些技术。

MCU主角配角两相宜

电机控制器的走向已呈现分化的趋势,而MCU扮演的角色也“主”“次”有别。

对于无刷直流电机而言,先进的FOC方案被广泛采用,而这需要优化的MCU和易用软件。虽然电机控制器厂商一致认识到电机的商机和未来走向,但沿袭以往的经验以及差异化的考量,电机控制器的走向已呈现分化的趋势,而MCU扮演的角色也“主”“次”有别。

飞兆最新开发的集成式电机控制器FCM8531让MCU成为一个“配角”。简文烯介绍,FCM8531的核心是单芯片上集成嵌入式MCU(MCS51)和先进马达控制器(AMC),并通过MSFR实现双方数据交换与存储。其优势在于通过使用预先配置和存储在AMC中的软件库,AMC可以执行FOC和DQ控制等强大算法,MCU仅需要简单的系统控制软件编程,从而实现了最少的软件控制。AMC和MCU均独立工作,可避免系统中断。同时,AMC能实时逐周期电流保护检测PWM信号,并且可在微秒内关断OWM信号以防止系统损坏。“此前飞兆的相关马达控制芯片产品FCM8201/8202有MCU接口,而新的FCM8531正是基于此基础之上,把MCU直接集成到单一芯片之中。”简文烯表示。

这一设计使得MCU的功能“简化”为马达控制的可配置性选项,比如通信、管理速度控制面板、遥控装置等。“虽然其他厂商推出的MCU是以32位为主,但飞兆从应用角度出发,认为MCU的作用是扩展可配置性和实现差异化,因此采用8位8051核。一般电机MCU单元需要工程师具备软件撰写的能力,飞兆的方案则降低了开发技术门槛,并可大幅缩短开发周期。”简文烯说。简文烯还表示,以后会在控制器中集成更多的AMC,通过开关来控制不同步工作的电机。

飞兆有些剑走偏峰的意味,而英飞凌却是致力于让基于32位ARM核的MCU作更多的功能集成,以“主角”的身份实现有的放矢的电机控制。英飞凌最新推出基于ARMM0核的XMC1000系列微控制器XMC1300就针对电机控制做了很多优化,并以“32位功能、8位价格”的高性价比来打开市场之门。英飞凌科技股份有限公司工业与多元化市场微控制器部门高级总监StephanZizala表示,XMC1300集成了一个功能强大的捕获/比较单元CCU8和位置接口单元,支持精确的电机位置检测;同时集成协处理器CORDIC,可进行矢量旋转和硬件除法计算,支持无传感器FOC解决方案,从而提高电机运行效率,这是其他基于Cortex-M0的单片机产品所没有的。此外,XMC1300还包含适用于精确测量和PWM硬件同步化的高速12位模数转换器、3个模拟快速比较器以及霍尔传感器和正交编码器接口等先进外设,以实现更高效的电机控制。

软件主攻灵活性

目前电机功能其实已经足够,客户更关注价格和解决方案对细分市场的适应度。

不管硬件形式有多少差别,软件算法是电机控制中的“灵魂”,没有高效的软件,硬件也就成为“无源之水”。

德州仪器最新支持InstaSPIN-FOC的32位C2000微控制器PiccoloF2806x,最具革新性的就是嵌入在MCU只读存储器(ROM)中的FAST软件编码器。有它可替代过去的电机传感器或软件观察器,对各种使用条件下的通量、角度、速度和转矩进行可靠、稳健估算。吴健鸿表示,以前TI用的是SMO算法,实现FOC需要花费较长时间寻找马达参数,FAST则可直接调用。设计人员可在5分钟乃至更短的时间内识别、调节并实现控制,不但可简化开发,而且还可提高所有可变速度及负载电机应用中的电机效率、性能与可靠性,客户更可集中精力进行差异化设计。

而英飞凌XMC1000系列采用与去年发布的高端XMC4000系列完全相同的免费集成式开发平台DAVE,还可利用DAVEApps进行模块化编程。工程师可通过图形用户界面进行DAVEApps的选择、配置和组合,根据单片机资源自动进行资源分配,并支持自动生成C代码和软件文档。“比如在电机控制的APP应用中,既有针对应用的,也有基于外设的,设计人员只需把所用电机的参数和需求等信息输入即可。当然,也可自写程序。”StephanZizala表示,“截至2月底,已有20个XMC1000DAVEApps发布,预计全年可达150个。”

为适应不同的马达设计,飞兆的AMC也配置了不同的软件库,现有速度积分、滑动模式、霍尔接口等,可实现FOC、正弦波控制等。简文烯表示,飞兆提供的三个库涵盖80%的马达应用,针对20%的特殊应用软件也会在今后添加。

无论如何“软硬兼施”,最重要的是客户认可度。华中科大某位教授就说,目前电机客户觉得功能其实足够,他们更关注价格和解决方案对细分市场的适应度。

供稿:网络

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=33956

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