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近年來，科技進步引領微控制器 (MCU) 的使用快速增長，并廣泛應用于洗衣機、空調及其他家電。而現代電機控制算法，則可以讓這些產品從中受益，實現高效安靜運行。MCU 還能應用于物聯網應用的機對機通信以及整機控制中。總的來說，制造商能夠生產更高效、運行噪音更小的電器，并且在提高性能安全的同時保持高性價比。 開發現代電器時，需要同時控制多個電機對工程師來說會是一大挑戰。工程師不僅要處理更高的復雜性，還必須確保任何情況下的安全運行，包括設備故障時的安全。 如圖 1 的空調系統所示，需要控制多個電機，包括一個壓縮機、數個室內單元風扇及數個室外單元風扇。所有電機必須高效、低噪音地運行，能夠準確地偵測過流、過熱、機械損壞等問題，以確保故障時也能安全運行。 
圖1: 空調系統配有多個電機，包括一個壓縮機、數個室內單元電機及數個室外單元電機 優化功能 圖2所示為現代電機控制中常用于永磁同步電動機 (PMSM) 的向量控制和磁場定向控制 (FOC) 算法。左邊的淺藍色模塊表示軟件內執行的功能，包括坐標變換（Clarke、Park 及其逆變量）和 PID（比例、積分、微分）控制器等。 “內部硬件”由專用的微控制器外設組成，這讓軟件模塊能夠有效地執行。其中模擬數字轉換器(ADC) 用于測量與脈沖寬度調制 (PWM) 同步的電機繞組的電流，并饋送回控制算法。控制算法的輸出必須傳達至逆變器中的功率開關器。逆變器則使用 PWM 控制技術來驅動電機，包括用于應對功率晶體管有限開關速度的死區時間插入。
圖2: 用于交流空調電機控制的逆變器算法，分為軟件、內部及外部硬件三大模塊 內部硬件中的多功能計時器 (MFT) 不但可以為每一個輸出信號 (u、v、w) 及其互補信號 (u-、v-、w-) 產生基本 PWM 脈沖，包括死區時間。這些信號是用于驅動輸出橋的高低側開關。在這個示例中，采用內部正交位置和分辨率計數器(QPRC) 外設以獲取轉子位置信息。磁場定向控制（FOC） 算法執行所需的轉子信息可通過工業環境中 PMSM 電機上安裝的光學或磁性編碼器獲取，如伺服驅動器。在家用電器或其他應用中，該模塊通常使用“無傳感”控制方法實行。無傳感控制通過電機數學模型計算轉子距離已測量電機電流的位置，而不是測量轉子的位置。 當一個微控制器控制多個電機時，進行高效、實時的密集計算需要一個復雜的軟件架構。而這種軟件架構開發難度高、調試耗時大、并且難以測試電機性能是否達到要求的質量和安全水平。多功能計時器和轉速表此類集成外設可以通過減少 MCU 的計算量來簡化多電機控制。此外，可利用軟件庫協助外設進一步簡化設計，并縮短上市時間。 使用多個 多功能計時器 可以實現微控制器向多個電機輸出信號。例如，賽普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 集成了 3 個 多功能計時器，令多達 18 個 PWM 通道（例如，9 對互補信號）能夠控制三相電機。每個多功能計時器單元包含 3 個通道的自由運行計時器、6 個輸出比較單元、4 個輸入捕獲單元、數個 ADC觸發器單元以及 1 個波形發生器 (WFG) 。另外，多功能計時器 支持緊急停機和噪音消除器。 僅需幾個步驟，多功能計時器就可以產生一個 PWM 波形。自由運行計時器可以為 PWM 信號提供時間基準，并確定 PWN 的分辨率和頻率。輸出比較單元 (OCU) 能為每個輸出相位確定占空比信號 RT1、3、5（注意：圖3 顯示的示例配置僅使用 3 個輸出比較單元。）信號發生器發出相應的互補信號 RTO0-RTO5，包括從 RT 信號自動插入死區時間，現在可以控制 FET 此類功率管或 IGBT 功率管。信號發生器也可以處理此類問題，如故障引起的過流。PWM 則可以立即關機。這不需要軟件參與，也不要啟動故障安全運行。 波形發生器的噪音消除器可以偵測有效的過流事件，也就是說，不會觸發短暫的尖峰噪聲。就過流事件而言，波形發生器將 MCU 輸出管腳從 RTO0-RTO5 切換回他們的正常通用輸入\輸出 (GPIO) 功能。這讓初始化時相應寄存器的預編程能夠定義故障安全狀態（例如，高輸出、低輸出或高阻）。除了硬件 PWM 關機，還會允許中斷，以在應用層面上進一步處理故障問題。
圖3: 運用多功能計時器產生 PWM 波形 QPRC 在使用正交編碼器的電機控制系統中起著重要的作用。它有三個輸入通道 - AIN、BIN 和 ZIN，用于輸入兩個正交信號和一個可選的零指數信號。通過這些信號，QPRC 可以偵測轉子位置和轉動方向。另外有一個分辨率計數器會在每次轉動后增速或減速。這樣，轉子轉動多次后也能計算出轉子的絕對位置。這對線性驅動器、變速箱和其他定位應用都非常有用。 多電機設計 圖4顯示基于賽普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 設計的現代空調系統 - 系統框圖。室外單元包含一個壓縮機和一個風扇，均利用上述的磁場定向控制（FOC）算法以實現效能最大化。另外，測量室外溫度等各種數據的感應器和 MCU 相連接。室外和室內單元的連接也可以使用簡單的串行協議，例如 UART 或者 SPI。 室內單元需要控制一個或多個風扇/吹風機，也可以運用磁場定向控制算法，保證運行高效而安靜。另有幾個感應器用于測量室溫、濕度及其他參數。除了連接室外單元，室內單元還要與空調整合到建筑物管理系統 (BEMS)，統籌供熱通風與空氣調節（Heating, Ventilation, Air Conditioning，HVAC)。此過程通過 CAN 接口可完成。 多電機工業和家庭應用的控制系統 室內和室外單元都提供需要的性能和效能。賽普拉斯 S6E2H FM4 微控制器是此類應用的理想選擇，將高性能電機控制、CAN 等通訊接口以及充足的用于額外監測和控制功能的資源集成為一體的低成本解決方案。
圖4: 現代空調系統的多電機控制系統框圖 公司信息: Cypress-賽普拉斯 |
