PFC及無線傳感控制方案 - 設(shè)計高性能和低功耗的電機控制系統(tǒng)

　　功率因數(shù)校正

　　PFC可確保電流波形遵循電壓波形，不論負(fù)載或輸入條件出現(xiàn)任何變化，它都能將輸出直流電壓調(diào)節(jié)為常量。當(dāng)以有源數(shù)字方式執(zhí)行PFC時，PFC能更加精確，并能消除電壓和電流之間的所有相移。減少諧波電流含量非常具有吸引力，因為它表示已抽運且未使用的無功功率。功率因數(shù)的重要性在于這一事實：公用事業(yè)公司向客戶提供伏安，卻以瓦特計費。低于1.0的功率因數(shù)要求公用事業(yè)公司生產(chǎn)的伏安數(shù)大于提供實際功率（瓦特）所必需的最小伏安數(shù)。

　　此外，PFC還用于平緩功耗和調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，當(dāng)冰箱中的壓縮機開啟時，它會在電力網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的負(fù)載，通常表現(xiàn)為壓降。這類功率峰值和諧波會損害脆弱的電子系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到峰值時，如果沒有PFC，它們傾向于抽運未消耗的功率，因而會降低總效率。此外，即使是在動態(tài)負(fù)載下，PFC也能讓直流總線電壓保持穩(wěn)定。

　　PFC對動力傳動鏈下游也有進一步影響。由于電力公司需要生成更大的功率電容以適應(yīng)峰值，因此，行業(yè)鼓勵電子產(chǎn)品制造商采用PFC等技術(shù)來平緩功耗。在某些情況下，必須采用PFC - IEC 60730要求歐洲市場出售的白色家電中必須采用PFC。

　　PFC的模擬或無源實施被鎖定為單個模式，對操作條件變化的反應(yīng)能力有限。相反，有源或數(shù)字控制的PFC能作用于并適應(yīng)操作條件的變化。例如，當(dāng)空調(diào)即將打開壓縮機時，PFC能在瞬時中斷時主動補償較大的負(fù)載。這不僅能減少生成的瞬態(tài)數(shù)量，還能使功率使用更為高效。數(shù)字PFC的靈活性也使開發(fā)人員可使用可能比PFC無源實施更復(fù)雜的PFC拓?fù)洹?/p>

　　不可小覷高分辨率PWM和A/D轉(zhuǎn)換器對有效PFC的重要性。維持模擬和數(shù)字域交匯處的信號完整性極其重要，因為這些交界處出現(xiàn)的任何錯誤都會降低性能。

　　多個電機的控制

　　許多系統(tǒng)都使用多個電機。例如，HVAC系統(tǒng)需要管理一臺壓縮機和一臺風(fēng)扇。大多數(shù)實施要求每個電機和其他電機使用獨立的控制器以實施PFC。

　　C2000 Piccolo MCU是第一種能夠使用單芯片通過PFC管理兩個電機的控制器。許多MCU沒有為控制多個電機及執(zhí)行主動PFC所需的計算能力或集成外設(shè)。例如，控制電機可能需要工作頻率高達(dá)20KHz的控制回路。另一方面，PFC需要約為50至100KHz的工作頻率。為了可靠地執(zhí)行此類高頻控制算法 - 這種情況下為兩個控制電機和一個管理PFC - MCU必須能夠在幾乎無延遲的情況下迅速有效地處理計算。

　　控制多個電機的能力不僅可以降低系統(tǒng)成本，還可以提高總功率效率和性能。對于操作雙電機的應(yīng)用，兩個電機都受相同MCU的控制，這一事實能夠讓控制器協(xié)調(diào)一臺電機相對于另一臺電機而言的加速速度。此外，由于兩個電機都抽運相同的電流源，也可以對PFC實施進行協(xié)調(diào)以取得更佳結(jié)果。

　　無傳感器控制

　　另一個潛在成本節(jié)約方面在于無傳感器反饋?？墒褂媒＜夹g(shù)來精確地確定電機位置或速度，而非使用速度和/或位置傳感器。要控制PM無刷直流電機，位置和速度信息至關(guān)重要。在當(dāng)今許多系統(tǒng)中，傳感器都用于收集此數(shù)據(jù)，將此作為控制算法的輸入。但是，從規(guī)模、成本、維護和可靠性角度來看，這些傳感器并不具有吸引力。

　　對于某些應(yīng)用，傳感器絕對必要。例如，用于醫(yī)院呼吸機的氧氣泵需要足夠的精度來確保固定流速。使用自定義電機時，創(chuàng)建精確的模型可能會非常困難。對于非常低速的系統(tǒng)應(yīng)用，可能不存在足夠的反饋來支持無傳感器實施。

　　然而，對于許多應(yīng)用（包括白色家電）而言，這種精度并非必要，因此，可引入無傳感器控制以降低系統(tǒng)成本。例如，當(dāng)永磁同步電機處于使用狀態(tài)時，可使用名為滑模觀測器的動態(tài)模型替代傳感器，該觀測器的實施既強大又簡單。此外，可通過最壞情況下極低的速度誤差實現(xiàn)較高的功率效率。

　　消除傳感器的使用需要控制器模擬電機的狀態(tài)，這樣便能正確估算出相應(yīng)的位置/速度。為了保持足夠的模型精度，需要對電壓進行精確的高頻監(jiān)控。對于這項工作，Piccolo MCU提供了集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器，可以為大多數(shù)應(yīng)用提供正確的精度水平。

　　對于不需要傳感器的應(yīng)用，Piccolo MCU設(shè)計為支持正交編碼器和測速發(fā)電機。對于需要編碼器的應(yīng)用，Piccolo器件包含集成的增強型正交編碼器脈沖（QEP），它可以自動將光編碼器脈沖轉(zhuǎn)換為速度和方向，同時僅使用兩個數(shù)字輸入和一個16/32位內(nèi)部定時器寄存器。QEP是TI致力于通過降低系統(tǒng)復(fù)雜性來加快開發(fā)速度的另一個例子。通過自動處理脈沖解碼并輸出位置和速度，QEP讓開發(fā)人員免去了必須親自創(chuàng)建此代碼的過程，這樣，他們便能夠集中精力讓自己的應(yīng)用與眾不同。

　　Piccolo MCU的QEP在下述方面特別具有多用途性：它幾乎可以連接任何正交編碼器，包括需要時鐘信號、生成自己的時鐘信號以及不使用時鐘的解碼器。不采用QEP的MCU要求開發(fā)人員使用GPIO捕獲脈沖，然后在軟件進行解碼，這種方式會使維持高頻控制環(huán)路的實時可靠性復(fù)雜化。

　　存在各種類型的測速發(fā)電機；一些提供與電機速度成比例的直流電壓。通過將某一Piccolo MCU的A/D轉(zhuǎn)換器輸入接口連接到測速發(fā)電機的輸出接口，可以輕松計算出這一速度。對于使用簡單霍爾效應(yīng)傳感器來輸出若干電機每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的低成本電機，軟件驅(qū)動器通常會測量脈沖頻率并跟蹤電機方向。

　　Piccolo MCU可以使用其集成的增強型捕捉外設(shè)（eCAP）簡化此軟件驅(qū)動器的設(shè)計。eCAP觸發(fā)霍爾效應(yīng)脈沖上升沿和下降沿的關(guān)閉，并自動計算脈沖間的寬度和周期。此外，eCAP在需要讀取之前能捕獲多達(dá)四個脈沖。