高效、無傳感器電機(jī)控制的無代碼實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動控制應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員面臨著優(yōu)化性能和效率同時將組件數(shù)量和空間保持在最低限度的壓力。理想的情況是對這些應(yīng)用中使用的永磁同步電機(jī) (PMSM) 進(jìn)行無傳感器控制，但這種控制很復(fù)雜，并且傳統(tǒng)上需要廣泛的設(shè)計(jì)和編碼技能來開發(fā)適當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法。?

近年來，已經(jīng)引入了數(shù)字IC技術(shù)，以減輕設(shè)計(jì)人員的編碼負(fù)擔(dān)。隨著先進(jìn)半導(dǎo)體控制器和支持工具的最新發(fā)展，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的無傳感器控制方案，而無需編寫任何代碼。

一般來說，PMSM 與其他電機(jī)類型相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢。沒有換向器使 PMSM 比直流電機(jī)更可靠。通過使用永磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通量，PMSM 比需要磁化和定子電流的交流感應(yīng)電機(jī)更有效。因此，PMSM 可以在家庭、工業(yè)、汽車和航空航天應(yīng)用中找到。典型的家庭應(yīng)用包括冰箱、洗碗機(jī)或洗衣機(jī)等白色家電。在工業(yè)中，PMSM 可用于各種應(yīng)用，包括機(jī)器人、風(fēng)扇、泵、起重機(jī)、電動工具、紡織機(jī)械和手動工具。PMSM 也可以在電動和混合動力汽車中找到，可靠性和效率的結(jié)合使它們非常適合最新類型的車輛 - 無人機(jī)。

無傳感器磁場定向控制 (FOC) 的優(yōu)勢

FOC 是一種數(shù)學(xué)矢量控制技術(shù)，用于控制交流和無刷直流電機(jī)。與替代開環(huán)控制相比，一個很大的優(yōu)勢是 FOC 允許測量和控制扭矩。FOC 將磁通量和轉(zhuǎn)矩矢量作為兩個并行運(yùn)行的回路來處理。因此，當(dāng)在交流感應(yīng)電機(jī)中使用時，尤其是在較低速度下，F(xiàn)OC 可以提高效率，因?yàn)榇磐亢娃D(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流的去耦允許更精確地控制這兩個元件。

FOC 對于 PMSM 系統(tǒng)特別有用，因?yàn)樗峁┝艘环N有效的方式來控制變速驅(qū)動器或其他具有非常動態(tài)負(fù)載的應(yīng)用中的同步電機(jī)。還可以取消傳感器（通常是編碼器）并提供閉環(huán)控制，而不會不利地增加系統(tǒng)成本。傳感器的移除還消除了相關(guān)的布線、重量和能源使用，從而實(shí)現(xiàn)了更高效、緊湊和可靠的解決方案。

與交流感應(yīng)相比，工程師在永磁系統(tǒng)（例如無刷直流電機(jī)）中的效率更高，因?yàn)椴恍枰娏鱽懋a(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通量。FOC 提供的精確線性控制更好地支持變速運(yùn)行，并且由于電機(jī)性能更平穩(wěn)，減少的轉(zhuǎn)矩波動轉(zhuǎn)化為更安靜的風(fēng)扇運(yùn)行。

實(shí)施 FOC 控制方案的挑戰(zhàn)

對于所有相關(guān)的方程，F(xiàn)OC 比換向更難理解——至少在最初是這樣。然而，揭開謎底揭示了一個簡單的控制回路和實(shí)現(xiàn)基于 FOC 的電機(jī)控制系統(tǒng)的四個主要步驟；i) 測量電機(jī)中流動的電流 ii) 將其與控制輸入（所需電流）進(jìn)行比較 iii) 將差值放大并用作控制電壓信號 iv) 通過調(diào)制過程將控制信號施加到電機(jī).

實(shí)施 FOC 的主要挑戰(zhàn)是管理所需系統(tǒng)性能和成本之間的權(quán)衡。電機(jī)每相中的簡單分流器或直流鏈路路徑上的單個分流器可能足以滿足基本的電機(jī)控制驅(qū)動。

整體系統(tǒng)精度是系統(tǒng) ADC 分辨率的函數(shù)（10 位是典型的，但 12 位可用于高精度應(yīng)用）以及控制環(huán)路的速度（10kHz 適用于許多應(yīng)用，而 20kHz 是常用的為了更精確）。然而，更高的位數(shù)和更高的工作頻率需要更大的處理能力，因此需要更多的成本。

平臺方法簡化了集成

隨著集成設(shè)計(jì)平臺的出現(xiàn)，工程師現(xiàn)在可以輕松地為任何變速三相電機(jī)應(yīng)用實(shí)施無傳感器 FOC 系統(tǒng)。所有必要的控制算法都可以嵌入到控制 IC 中。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，配置實(shí)用程序使用戶能夠快速啟動電機(jī)并更快地進(jìn)行應(yīng)用測試和硬件設(shè)計(jì)。

這種方法的一個例子是 IRMCK099（圖 1），這是一種低成本、高性能的基于 OTP 存儲器的運(yùn)動控制 IC，主要設(shè)計(jì)用于無傳感器電機(jī)控制應(yīng)用。與需要對 MCU 元件進(jìn)行一些編程的早期電機(jī)控制 IC 不同，該 IC 具有電機(jī)控制引擎 (MCE)，固件中包含控制算法（基于標(biāo)準(zhǔn)庫塊）以及硬件加速器。此 MCE 通過硬件和固件元素的組合使用單支路或支路分流器電流反饋在內(nèi)部和表面 PMSM 中實(shí)現(xiàn)無傳感器 FOC。

圖 1：框圖 – IRMCK099 運(yùn)動控制 IC

該控制 IC 采用 5mm x 5mm、32 引腳 QFN 封裝中的所有主要系統(tǒng)元件，采用 3.3V 單電源供電。內(nèi)置 ADC 提供 12 位分辨率和 2μS 的快速轉(zhuǎn)換時間，使其成為精密應(yīng)用的理想選擇。除了高級 ADC 之外，還有一個 100 MHz 內(nèi)部振蕩器，無需外部時鐘。Sigma Delta DAC 提供兩通道模擬輸出，所有模擬輸入都經(jīng)過工廠校準(zhǔn)。除了具有 CRC 存儲器檢查功能的 16kB 板載 OTP 存儲器外，該器件還具有先進(jìn)的通信和接口子系統(tǒng)，包括一個 57.6kBps UART、8 個數(shù)字 GPIO 端口、6 個 PWM 輸出和一個 I 2C 接口。四個寄存器可選控制輸入通過 UART、模擬電壓、頻率或占空比支持電機(jī)速度和方向控制，提高了設(shè)計(jì)靈活性。這確保了各種應(yīng)用程序中的簡化接口。

單分流器重建功能允許使用單個外部分流器實(shí)現(xiàn) FOC 控制所需的精確電流測量，從而最大限度地減少外部模擬和數(shù)字電路。相移 PWM 消除了最小脈沖限制，改善了電機(jī)在低速下的啟動并降低了運(yùn)行中的噪音。

其他內(nèi)置安全和保護(hù)功能包括轉(zhuǎn)子鎖定保護(hù)和捕捉旋轉(zhuǎn)，以在應(yīng)用控制輸入之前檢測電機(jī)的任何旋轉(zhuǎn)。

“無代碼”實(shí)施

與基于 MCU 或 DSP 的 FOC 設(shè)計(jì)相比，專用 IC 方法可以實(shí)現(xiàn)無需編程的運(yùn)動控制設(shè)計(jì)。

可以使用基于 GUI 的驅(qū)動器配置和設(shè)計(jì)工具來執(zhí)行參數(shù)計(jì)算（圖 2）。它從一個簡單的基于表單的對話框開始，該對話框以易于理解、對工程師友好的格式捕獲所有電機(jī)參數(shù)和應(yīng)用信息，例如速度和加速度——以及需要的文本和圖片。完成后，參數(shù)會自動導(dǎo)出到設(shè)計(jì)工具。該工具有助于路測和參數(shù)調(diào)整。工程師可以通過優(yōu)化負(fù)載下的驅(qū)動參數(shù)來啟動和停止電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)最佳性能，從而允許對各個控制寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有意義的編輯。強(qiáng)大的參數(shù)跟蹤工具允許用戶跟蹤和繪制內(nèi)部控制變量，從而快速調(diào)試和提高驅(qū)動器性能。

圖 2：iMOTION 為電機(jī)的磁場定向控制提供簡化的設(shè)計(jì)流程

圖 3：iMOTION 參考設(shè)計(jì)板可輕松從設(shè)計(jì)遷移到生產(chǎn)

一系列開發(fā)和支持工具進(jìn)一步支持電機(jī)控制系統(tǒng)的快速開發(fā)，包括參考設(shè)計(jì)板（圖 3）。左側(cè)的 RDB 是一個電機(jī)控制系統(tǒng)，包含控制 IC 和智能電源模塊 (IPM) 以及所有必要的組件，右側(cè)的 RDB 具有智能 μIPM。

　　審核編輯：湯梓紅