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作者：Josef Limmer 英飛凌科技股份公司微控制器產(chǎn)品營銷經(jīng)理 在工業(yè)化國家，電機(jī)的耗電量占電能消耗總量的一半以上，分別占工業(yè)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(jī)的效率可以節(jié)省大量能源，并大幅降低運(yùn)行成本。正因如此，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)將能源效率作為主要考慮因素，而不是像通常那樣只關(guān)心“電機(jī)的價(jià)格是多少”。 新一代微控制器可以提高無刷直流電機(jī)(BLDC)、永磁同步交流電機(jī)(PMSM)和交流感應(yīng)電機(jī)控制的能源效率，對(duì)全面降低能耗做出重要貢獻(xiàn)。 電機(jī)的擁有成本主要是用電成本。在其整個(gè)壽命周期內(nèi)，用電成本在電機(jī)總成本中所占比例超過90%，初始購置成本和維護(hù)成本僅占10%。據(jù)美國能源部(DOE)提供的數(shù)據(jù)，如果電機(jī)每年運(yùn)行的時(shí)間超過4,000小時(shí)，那么采用能效提高4~6%的電機(jī)，兩年中節(jié)省的電能，就可以收回因采用高效電機(jī)而增加的成本。例如，常規(guī)200W BLDC電機(jī)的價(jià)格大約為100歐元，大約比能效較低的同等規(guī)格的有刷電機(jī)高出30%。即使不可能更換現(xiàn)有電機(jī)，或者更換現(xiàn)有電機(jī)需要極大的投資，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制器和/或算法也能起到提高能效的作用。 在常規(guī)工廠中，電機(jī)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(jī)的效率，降低運(yùn)行成本，需要對(duì)特定因素進(jìn)行考慮。主要因素包括：選擇高效電機(jī);選擇功率合適的電機(jī);選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)技術(shù);使用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ā?br /> 在電機(jī)負(fù)載低于其額定負(fù)載的40%時(shí)，效率會(huì)大幅下降。因此，選擇功率合適的電機(jī)，對(duì)降低運(yùn)行成本非常重要。選擇電機(jī)功率的依據(jù)是，使電機(jī)的負(fù)載系數(shù)保持在65%至100%之間。通常的做法是選擇額定功率大于實(shí)際所需功率的電機(jī)，結(jié)果導(dǎo)致了電機(jī)運(yùn)行的低效率。 在購置成本、控制設(shè)計(jì)、運(yùn)行成本和能效等方面，有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)等不同電機(jī)技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用中采用的電機(jī)控制方式(圖1)對(duì)能效具有重大影響。步進(jìn)電機(jī)和有刷直流電機(jī)的購置成本低，控制電路簡(jiǎn)單，因此被廣泛應(yīng)用于低功率應(yīng)用中。但是步進(jìn)電機(jī)和有刷直流電機(jī)的能效較低，因此運(yùn)行成本較高。利用BLDC、PMSM和交流感應(yīng)電機(jī)，并采用在優(yōu)化微控制器上運(yùn)行的強(qiáng)大的電機(jī)控制算法，可以構(gòu)建能效最高的解決方案。對(duì)于各種無刷電機(jī)，存在很多可供使用的電機(jī)控制系統(tǒng)算法—包括梯形波控制、正弦波控制和磁場(chǎng)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(jiǎn)單、能效也最低的控制方法。在六步換向的每一步中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路均在兩個(gè)繞組間提供電流通路，而斷開電機(jī)的第三相。這種方法會(huì)產(chǎn)生扭矩脈動(dòng)，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲和機(jī)械磨損，降低電機(jī)的伺服性能，從而限制了電機(jī)的性能。無刷電機(jī)控制需要知道轉(zhuǎn)子的位置，并提供電機(jī)換向機(jī)制。一般采用霍爾效應(yīng)傳感器來感應(yīng)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，而這會(huì)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(jī)的反電動(dòng)勢(shì)來估算轉(zhuǎn)子的位置。對(duì)于低成本變速應(yīng)用(如風(fēng)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(jī)時(shí)，冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要采用無傳感器控制。 簡(jiǎn)易正弦波控制 簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)電機(jī)的三個(gè)繞組，消除了扭矩波動(dòng)問題，使電機(jī)平滑地轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，正弦波換向的根本弱點(diǎn)在于，它試圖利用基本的比例積分(PI)控制算法來控制隨時(shí)間變化的電機(jī)電流，而沒有考慮不同相位之間的相互影響。結(jié)果，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不同相位之間的相互影響會(huì)造成電機(jī)性能的下降。 磁場(chǎng)定向控制(FOC) 在電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，簡(jiǎn)易正弦波換向可以使電機(jī)平滑地轉(zhuǎn)動(dòng);但在高速情況下，效率不高。塊交換在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效率較高，但在低速時(shí)會(huì)造成扭矩波動(dòng)。正因如此，F(xiàn)OC應(yīng)運(yùn)而生。FOC在低速和高速兩種情況下都能達(dá)到最佳控制效果(圖1c)。利用FOC控制，可以將電機(jī)的效率提高到95%，并降低功耗和噪聲，提供優(yōu)異的扭矩動(dòng)態(tài)性能，從而使逆變器的效率更高，所需的功率級(jí)更小，提供相同扭矩所需的電機(jī)尺寸更小。 FOC算法消除了時(shí)間和速度之間的相互依賴，支持對(duì)磁通和扭矩分別單獨(dú)實(shí)施直接控制，其實(shí)現(xiàn)方法是利用被稱為Clarke和Park變換的數(shù)學(xué)公式，以數(shù)學(xué)方法將電機(jī)的電氣狀態(tài)轉(zhuǎn)換到不隨時(shí)間變化的二維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。FOC既可用于交流感應(yīng)電機(jī)和無刷直流電機(jī)控制，提高它們的效率和性能，也可以用于對(duì)現(xiàn)有電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電機(jī)的控制。 各種節(jié)能的電機(jī)控制方法 為了實(shí)施各種創(chuàng)新的電機(jī)控制概念，需要采用優(yōu)化的微控制器架構(gòu)以及易于使用的工具。英飛凌不僅提供功能強(qiáng)大的8位、16位和32位微控制器(圖 2)，而且還提供包含相關(guān)工具鏈的完整解決方案。此外，英飛凌還提供種類眾多的應(yīng)用套件組合，方便高效電機(jī)控制硬件和軟件解決方案的評(píng)估和實(shí)施。根據(jù)不同應(yīng)用需要，英飛凌可提供門類齊全的8位、16位和32位MCU，運(yùn)算速度最高可達(dá)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(kuò)展的解決方案。此外，XC886、XC878和XC888系列產(chǎn)品還配有16 位矢量計(jì)算機(jī)，支持FOC。對(duì)于8位MCU而言，這在業(yè)內(nèi)尚屬首例。利用矢量計(jì)算機(jī)，只需利用大約一半的CPU容量就可以執(zhí)行FOC，這在業(yè)內(nèi)也是獨(dú)一無二的。XC800 MCU是實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化的高能效低端驅(qū)動(dòng)(如風(fēng)扇、泵類、電器和空調(diào)等)的理想產(chǎn)品。 XE166系列實(shí)時(shí)信號(hào)控制器(RTSC)以增強(qiáng)型C166S V2內(nèi)核為基礎(chǔ)。最高達(dá)100 MIPS 的CPU處理性能、支持DSP功能的MAC單元、增強(qiáng)的IO功能、靈活的功率管理和新型外設(shè)(如通用串行接口(USIC))，使XE166器件成為各種苛刻的工業(yè)應(yīng)用(如電機(jī)控制、電源、運(yùn)輸和通訊)的不二之選。XE166系列擁有各種特性，如支持標(biāo)準(zhǔn)FOC、雙電機(jī)控制、動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)和零速控制，非常適合逆變器、伺服驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)扶梯和鏟車等應(yīng)用。 在高端應(yīng)用方面，32位器件TC1167和TC1197專為要求最嚴(yán)苛的工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有最高的運(yùn)動(dòng)控制性能，適合多軸系統(tǒng)等應(yīng)用。 應(yīng)用套件：可擴(kuò)展電機(jī)控制解決方案 英飛凌提供的應(yīng)用套件和工具鏈，可支持各種新型電機(jī)控制技術(shù)在微控制器上的快速實(shí)現(xiàn)。我們還可提供全套電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用參考系統(tǒng)，支持從塊交換控制直至FOC的各種算法(圖3)。
所有應(yīng)用套件均包括一個(gè)免費(fèi)工具鏈(編譯器、實(shí)時(shí)調(diào)試環(huán)境等)和所有相關(guān)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(dǎo)體和無源組件的完整解決方案，以及包括硬件設(shè)計(jì)實(shí)例的配套綜合文檔。應(yīng)用套件的電壓范圍介于12V和230V，可驅(qū)動(dòng)電流范圍介于200mA至20A的電機(jī)，如步進(jìn)電機(jī)、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(jī)驅(qū)動(dòng)的獨(dú)特的自動(dòng)代碼生成器。DAvE Drive是一種面向英飛凌8位MCU系列的應(yīng)用代碼生成器—支持XE166的版本正在開發(fā)之中，可幫助開發(fā)人員快速、輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜控制算法(如 FOC)的配置，縮短電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件的開發(fā)時(shí)間。電機(jī)控制設(shè)計(jì)人員可以將精力迅速集中在應(yīng)用軟件的開發(fā)上，如驅(qū)動(dòng)功能的編程。DAvE Drive軟件配置工具套件可生成對(duì)應(yīng)算法的源代碼，并包含功能說明，而不需要從預(yù)先編輯的軟件庫中獲取代碼。它還可以根據(jù)客戶選擇的電機(jī)，快速生成代碼。電機(jī)類別既可以從數(shù)據(jù)庫中選擇，也可以通過設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)(如額定電壓、相感應(yīng)或電阻)來自行定義。利用DAvE Drive，可以根據(jù)速度和電流控制參數(shù)輕松地進(jìn)行調(diào)整。
結(jié)論 對(duì)更高能效電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求，推動(dòng)了對(duì)相關(guān)微控制器的需求的持續(xù)上升。英飛凌的XC800、XE166和TC11xx系列MCU為各種不同電機(jī)控制方法提供了可擴(kuò)展的解決方案，從驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的霍爾傳感器或無傳感器塊交換控制、驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)或PMSM的FOC、驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)的V/f控制直至用于高端電機(jī)驅(qū)動(dòng)的FOC和PFC。完整的工具鏈和專用的應(yīng)用套件，為基于這些優(yōu)化微控制器的高能效電機(jī)控制設(shè)計(jì)鋪平了道路，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。 |
