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作者：Josef Limmer 英飛凌科技股份公司微控制器產品營銷經理 在工業化國家，電機的耗電量占電能消耗總量的一半以上，分別占工業電能消耗量的三分之二和居民電能消耗量的大約四分之一。因此，提高電機的效率可以節省大量能源，并大幅降低運行成本。正因如此，在電機驅動設計中，應將能源效率作為主要考慮因素，而不是像通常那樣只關心“電機的價格是多少”。 新一代微控制器可以提高無刷直流電機(BLDC)、永磁同步交流電機(PMSM)和交流感應電機控制的能源效率，對全面降低能耗做出重要貢獻。 電機的擁有成本主要是用電成本。在其整個壽命周期內，用電成本在電機總成本中所占比例超過90%，初始購置成本和維護成本僅占10%。據美國能源部(DOE)提供的數據，如果電機每年運行的時間超過4,000小時，那么采用能效提高4~6%的電機，兩年中節省的電能，就可以收回因采用高效電機而增加的成本。例如，常規200W BLDC電機的價格大約為100歐元，大約比能效較低的同等規格的有刷電機高出30%。即使不可能更換現有電機，或者更換現有電機需要極大的投資，優化驅動控制器和/或算法也能起到提高能效的作用。 在常規工廠中，電機消耗的電能大約占電能消耗總量的三分之二。為了提高電機的效率，降低運行成本，需要對特定因素進行考慮。主要因素包括：選擇高效電機;選擇功率合適的電機;選擇適當的電機技術;使用適當的控制算法。 在電機負載低于其額定負載的40%時，效率會大幅下降。因此，選擇功率合適的電機，對降低運行成本非常重要。選擇電機功率的依據是，使電機的負載系數保持在65%至100%之間。通常的做法是選擇額定功率大于實際所需功率的電機，結果導致了電機運行的低效率。 在購置成本、控制設計、運行成本和能效等方面，有刷直流電機、無刷直流電機、步進電機或交流感應電機等不同電機技術各有優勢。應用中采用的電機控制方式(圖1)對能效具有重大影響。步進電機和有刷直流電機的購置成本低，控制電路簡單，因此被廣泛應用于低功率應用中。但是步進電機和有刷直流電機的能效較低，因此運行成本較高。利用BLDC、PMSM和交流感應電機，并采用在優化微控制器上運行的強大的電機控制算法，可以構建能效最高的解決方案。對于各種無刷電機，存在很多可供使用的電機控制系統算法—包括梯形波控制、正弦波控制和磁場定向控制(FOC)等。 
塊交換控制 梯形控制或塊交換也被稱為六步控制(圖1a)，是最簡單、能效也最低的控制方法。在六步換向的每一步中，電機驅動電路均在兩個繞組間提供電流通路，而斷開電機的第三相。這種方法會產生扭矩脈動，使電機產生振動、噪聲和機械磨損，降低電機的伺服性能，從而限制了電機的性能。無刷電機控制需要知道轉子的位置，并提供電機換向機制。一般采用霍爾效應傳感器來感應轉子的絕對位置，而這會需要較多的接線，成本也較高。無傳感器BLDC控制不需要霍爾傳感器，而采用電機的反電動勢來估算轉子的位置。對于低成本變速應用(如風扇和泵類)而言，無傳感器控制是一種重要的控制方法。在采用BLDC電機時，冰箱和空調壓縮機也需要采用無傳感器控制。 簡易正弦波控制 簡易正弦波控制是正弦波控制方法的一種，這種方法可以消除了塊交換(圖1b)中存在的一些問題。控制器以平滑變化的電流驅動電機的三個繞組，消除了扭矩波動問題，使電機平滑地轉動。但是，正弦波換向的根本弱點在于，它試圖利用基本的比例積分(PI)控制算法來控制隨時間變化的電機電流，而沒有考慮不同相位之間的相互影響。結果，在電機高速運轉時，不同相位之間的相互影響會造成電機性能的下降。 磁場定向控制(FOC) 在電機低速運轉情況下，簡易正弦波換向可以使電機平滑地轉動;但在高速情況下，效率不高。塊交換在電機高速運轉時效率較高，但在低速時會造成扭矩波動。正因如此，FOC應運而生。FOC在低速和高速兩種情況下都能達到最佳控制效果(圖1c)。利用FOC控制，可以將電機的效率提高到95%，并降低功耗和噪聲，提供優異的扭矩動態性能，從而使逆變器的效率更高，所需的功率級更小，提供相同扭矩所需的電機尺寸更小。 FOC算法消除了時間和速度之間的相互依賴，支持對磁通和扭矩分別單獨實施直接控制，其實現方法是利用被稱為Clarke和Park變換的數學公式，以數學方法將電機的電氣狀態轉換到不隨時間變化的二維旋轉坐標系中。FOC既可用于交流感應電機和無刷直流電機控制，提高它們的效率和性能，也可以用于對現有電機的控制系統進行升級，實現對現有電機的控制。 各種節能的電機控制方法 為了實施各種創新的電機控制概念，需要采用優化的微控制器架構以及易于使用的工具。英飛凌不僅提供功能強大的8位、16位和32位微控制器(圖 2)，而且還提供包含相關工具鏈的完整解決方案。此外，英飛凌還提供種類眾多的應用套件組合，方便高效電機控制硬件和軟件解決方案的評估和實施。根據不同應用需要，英飛凌可提供門類齊全的8位、16位和32位MCU，運算速度最高可達400 MIPS。
XC800 MCU采用流行的8051 CPU，配有4KB至64 KB閃存、10位高速ADC、PWM單元和20至64引腳封裝，提供各種可擴展的解決方案。此外，XC886、XC878和XC888系列產品還配有16 位矢量計算機，支持FOC。對于8位MCU而言，這在業內尚屬首例。利用矢量計算機，只需利用大約一半的CPU容量就可以執行FOC，這在業內也是獨一無二的。XC800 MCU是實現成本優化的高能效低端驅動(如風扇、泵類、電器和空調等)的理想產品。 XE166系列實時信號控制器(RTSC)以增強型C166S V2內核為基礎。最高達100 MIPS 的CPU處理性能、支持DSP功能的MAC單元、增強的IO功能、靈活的功率管理和新型外設(如通用串行接口(USIC))，使XE166器件成為各種苛刻的工業應用(如電機控制、電源、運輸和通訊)的不二之選。XE166系列擁有各種特性，如支持標準FOC、雙電機控制、動態負載響應和零速控制，非常適合逆變器、伺服驅動、自動扶梯和鏟車等應用。 在高端應用方面，32位器件TC1167和TC1197專為要求最嚴苛的工業驅動應用而設計，具有最高的運動控制性能，適合多軸系統等應用。 應用套件：可擴展電機控制解決方案 英飛凌提供的應用套件和工具鏈，可支持各種新型電機控制技術在微控制器上的快速實現。我們還可提供全套電機驅動應用參考系統，支持從塊交換控制直至FOC的各種算法(圖3)。
所有應用套件均包括一個免費工具鏈(編譯器、實時調試環境等)和所有相關硬件和軟件，可以即插即用。我們提供配有微控制器、功率半導體和無源組件的完整解決方案，以及包括硬件設計實例的配套綜合文檔。應用套件的電壓范圍介于12V和230V，可驅動電流范圍介于200mA至20A的電機，如步進電機、BLDC和PMSM等。 這些套件可以與DAvE Drive(圖4)一起使用，后者是一種用于電機驅動的獨特的自動代碼生成器。DAvE Drive是一種面向英飛凌8位MCU系列的應用代碼生成器—支持XE166的版本正在開發之中，可幫助開發人員快速、輕松地實現對復雜控制算法(如 FOC)的配置，縮短電機驅動軟件的開發時間。電機控制設計人員可以將精力迅速集中在應用軟件的開發上，如驅動功能的編程。DAvE Drive軟件配置工具套件可生成對應算法的源代碼，并包含功能說明，而不需要從預先編輯的軟件庫中獲取代碼。它還可以根據客戶選擇的電機，快速生成代碼。電機類別既可以從數據庫中選擇，也可以通過設置關鍵參數(如額定電壓、相感應或電阻)來自行定義。利用DAvE Drive，可以根據速度和電流控制參數輕松地進行調整。
結論 對更高能效電機驅動的需求，推動了對相關微控制器的需求的持續上升。英飛凌的XC800、XE166和TC11xx系列MCU為各種不同電機控制方法提供了可擴展的解決方案，從驅動BLDC電機的霍爾傳感器或無傳感器塊交換控制、驅動BLDC電機或PMSM的FOC、驅動交流感應電機的V/f控制直至用于高端電機驅動的FOC和PFC。完整的工具鏈和專用的應用套件，為基于這些優化微控制器的高能效電機控制設計鋪平了道路，縮短了產品的開發周期。 |
