近年來(lái)，科技進(jìn)步引領(lǐng)微控制器 (MCU) 的使用快速增長(cháng)，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(chǎn)品從中受益，實(shí)現高效安靜運行。MCU 還能應用于物聯(lián)網(wǎng)應用的機對機通信以及整機控制中�？偟膩�(lái)說(shuō)，制造商能夠生產(chǎn)更高效、運行噪音更小的電器，并且在提高性能安全的同時(shí)保持高性?xún)r(jià)比。
開(kāi)發(fā)現代電器時(shí)，需要同時(shí)控制多個(gè)電機對工程師來(lái)說(shuō)會(huì )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(shí)的安全。
如圖 1 的空調系統所示，需要控制多個(gè)電機，包括一個(gè)壓縮機、數個(gè)室內單元風(fēng)扇及數個(gè)室外單元風(fēng)扇。所有電機必須高效、低噪音地運行，能夠準確地偵測過(guò)流、過(guò)熱、機械損壞等問(wèn)題，以確保故障時(shí)也能安全運行。
圖1: 空調系統配有多個(gè)電機，包括一個(gè)壓縮機、數個(gè)室內單元電機及數個(gè)室外單元電機
優(yōu)化功能
圖2所示為現代電機控制中常用于永磁同步電動(dòng)機 (PMSM) 的向量控制和磁場(chǎng)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(zhuān)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�？刂扑惴ǖ妮敵霰仨殏鬟_至逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器。逆變器則使用 PWM 控制技術(shù)來(lái)驅動(dòng)電機，包括用于應對功率晶體管有限開(kāi)關(guān)速度的死區時(shí)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(shí)器 (MFT) 不但可以為每一個(gè)輸出信號 (u、v、w) 及其互補信號 (u-、v-、w-) 產(chǎn)生基本 PWM 脈沖，包括死區時(shí)間。這些信號是用于驅動(dòng)輸出橋的高低側開(kāi)關(guān)。在這個(gè)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(chǎng)定向控制（FOC） 算法執行所需的轉子信息可通過(guò)工業(yè)環(huán)境中 PMSM 電機上安裝的光學(xué)或磁性編碼器獲取，如伺服驅動(dòng)器。在家用電器或其他應用中，該模塊通常使用“無(wú)傳感”控制方法實(shí)行。無(wú)傳感控制通過(guò)電機數學(xué)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(gè)微控制器控制多個(gè)電機時(shí)，進(jìn)行高效、實(shí)時(shí)的密集計算需要一個(gè)復雜的軟件架構。而這種軟件架構開(kāi)發(fā)難度高、調試耗時(shí)大、并且難以測試電機性能是否達到要求的質(zhì)量和安全水平。多功能計時(shí)器和轉速表此類(lèi)集成外設可以通過(guò)減少 MCU 的計算量來(lái)簡(jiǎn)化多電機控制。此外，可利用軟件庫協(xié)助外設進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計，并縮短上市時(shí)間。
使用多個(gè) 多功能計時(shí)器 可以實(shí)現微控制器向多個(gè)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(gè) 多功能計時(shí)器，令多達 18 個(gè) PWM 通道（例如，9 對互補信號）能夠控制三相電機。每個(gè)多功能計時(shí)器單元包含 3 個(gè)通道的自由運行計時(shí)器、6 個(gè)輸出比較單元、4 個(gè)輸入捕獲單元、數個(gè) ADC觸發(fā)器單元以及 1 個(gè)波形發(fā)生器 (WFG) 。另外，多功能計時(shí)器 支持緊急停機和噪音消除器。
僅需幾個(gè)步驟，多功能計時(shí)器就可以產(chǎn)生一個(gè) PWM 波形。自由運行計時(shí)器可以為 PWM 信號提供時(shí)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(gè)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(gè)輸出比較單元。）信號發(fā)生器發(fā)出相應的互補信號 RTO0-RTO5，包括從 RT 信號自動(dòng)插入死區時(shí)間，現在可以控制 FET 此類(lèi)功率管或 IGBT 功率管。信號發(fā)生器也可以處理此類(lèi)問(wèn)題，如故障引起的過(guò)流。PWM 則可以立即關(guān)機。這不需要軟件參與，也不要啟動(dòng)故障安全運行。
波形發(fā)生器的噪音消除器可以偵測有效的過(guò)流事件，也就是說(shuō)，不會(huì )觸發(fā)短暫的尖峰噪聲。就過(guò)流事件而言，波形發(fā)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(shí)相應寄存器的預編程能夠定義故障安全狀態(tài)（例如，高輸出、低輸出或高阻）。除了硬件 PWM 關(guān)機，還會(huì )允許中斷，以在應用層面上進(jìn)一步處理故障問(wèn)題。
圖3: 運用多功能計時(shí)器產(chǎn)生 PWM 波形
QPRC 在使用正交編碼器的電機控制系統中起著(zhù)重要的作用。它有三個(gè)輸入通道 - AIN、BIN 和 ZIN，用于輸入兩個(gè)正交信號和一個(gè)可選的零指數信號。通過(guò)這些信號，QPRC 可以偵測轉子位置和轉動(dòng)方向。另外有一個(gè)分辨率計數器會(huì )在每次轉動(dòng)后增速或減速。這樣，轉子轉動(dòng)多次后也能計算出轉子的絕對位置。這對線(xiàn)性驅動(dòng)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(gè)壓縮機和一個(gè)風(fēng)扇，均利用上述的磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法以實(shí)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(jiǎn)單的串行協(xié)議，例如 UART 或者 SPI。
室內單元需要控制一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇/吹風(fēng)機，也可以運用磁場(chǎng)定向控制算法，保證運行高效而安靜。另有幾個(gè)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(fēng)與空氣調節（Heating, Ventilation, Air Conditioning，HVAC)。此過(guò)程通過(guò) CAN 接口可完成。
多電機工業(yè)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(lèi)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
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