隨著節(jié)能環(huán)保標準的不斷提升，在全球，設(shè)計更可靠、更高效的電機，減少電子系統(tǒng)中電機使用的能量，正成為優(yōu)先事項。來自IEA(國際能源機構(gòu))的數(shù)據(jù)顯示，電機功耗已占全球總能耗的45%，提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率將使全球電力消耗降低9%-14%，這將有望使無刷直流電機(BLDC)馬達的采用比例增長一倍。
從傳統(tǒng)AC電機設(shè)計轉(zhuǎn)換到更為成熟的BLDC/PMSM馬達設(shè)計，正成為電機控制應用設(shè)計人員目前追逐的熱點。然而，飛兆(Fairchild)半導體BLDC產(chǎn)品線市場經(jīng)理簡文烯卻提醒說，如果設(shè)計人員不能有效獲得高級、復雜的電機控制算法，不管選擇哪一種方法，都具有挑戰(zhàn)性。
飛兆半導體BLDC產(chǎn)品線市場經(jīng)理簡文烯 |
“如何定義優(yōu)良的馬達控制器當然不僅與先進或高速的處理器有關(guān)，更重要的是，需要成熟半導體技術(shù)與模塊化先進馬達控制軟件庫的相互結(jié)合?！焙單南┱f，“新型BLDC馬達需要更復雜的電子控制。但很多傳統(tǒng)馬達行業(yè)工程師只了解硬件，缺乏對電子控制算法和將復雜數(shù)學計算轉(zhuǎn)換為軟件編碼的經(jīng)驗和專有技術(shù)。”
他認為，如果出現(xiàn)一些新的解決方案，不但能夠提供模塊化的馬達控制軟件庫，從而最大限度減少軟件設(shè)計工作，還能夠提供用于實施附加功能的可編程系統(tǒng)控制和通信接口、以及硬件保護和穩(wěn)健的模擬控制器，將是非常完美的。
德州儀器MCU業(yè)務拓展經(jīng)理吳健鴻 |
而來自德州儀器(TI)MCU業(yè)務拓展經(jīng)理吳健鴻的觀點則表明，為了實現(xiàn)電機的高可靠性、低成本和高效率，業(yè)界從有傳感器向無傳感器轉(zhuǎn)型的趨勢也很明顯。例如，在傳統(tǒng)磁場定向控制(FOC)電機設(shè)計中，采用轉(zhuǎn)子傳感器既會增加成本(需要傳感器、電源、特殊布線與連接器、安裝以及維護)，還可能會降低可靠性(惡劣條件下性能退化、出現(xiàn)電氣噪聲、容易受溫度和濕度影響)，從而對系統(tǒng)造成不利影響。此外，在封閉式壓縮機或大型牽引設(shè)備等眾多應用中采用傳感器也是完全不切實際的。
“我認為，下一個大型無傳感器FOC市場機會將有望來自運輸、泵/風機/壓縮機/牽引機、HVAC壓縮機和風機、洗滌(直接驅(qū)動)、制冷壓縮機、工業(yè)泵和風機等領(lǐng)域。”但吳健鴻也同時強調(diào)說，盡管無傳感器FOC電機技術(shù)可帶來許多系統(tǒng)優(yōu)勢，然而，“缺乏電機控制系統(tǒng)知識”卻是許多行業(yè)不得不延遲采用和推廣這些技術(shù)的根本原因。
鑒于此，TI推出了最新的InstaSPIN-FOC解決方案，旨在幫助電機控制系統(tǒng)設(shè)計人員在5分鐘乃至更短的時間內(nèi)，識別、調(diào)節(jié)并通過可變速度及負載全面控制任何類型的三相同步或異步電機。吳健鴻將該方案的競爭優(yōu)勢從三個方面進行了總結(jié)：包括顯著降低無傳感器FOC系統(tǒng)的開發(fā)難度、便于使用的高靈活軟件架構(gòu)、以及高保真低時延反饋信號。
“TI之前采用的是SMO算法，實現(xiàn)FOC需要花費較長時間尋找馬達參數(shù)?！彼f，“此次內(nèi)置的FAST算法則屬于直接調(diào)用。新手只需調(diào)用ROM中的完整系統(tǒng)功能就能夠去調(diào)整控制增益，而專家僅需從ROM中調(diào)用FAST編碼器功能就能夠完全的定制控制系統(tǒng)?！?
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與TI思路不同，飛兆FCM8531電機控制器采用了集成式“混合架構(gòu)”。也就是說，在單芯片上集成嵌入式MCU(MCS51)和先進馬達控制器(AMC)，并通過MSFR實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)交換與存儲。其中，AMC專用于馬達控制，MCU是負責流程控制和通信接口的中心，管理速度控制面板、遙控裝置或LED燈指示器等功能。
飛兆在強調(diào)此架構(gòu)的優(yōu)勢時表示，通過使用預先配置和存儲在AMC中的軟件庫，AMC可以執(zhí)行FOC和DQ控制等強大算法，MCU僅需要簡單的系統(tǒng)控制軟件編程，從而實現(xiàn)了最少的軟件控制。硬件方面，AMC和MCU均獨立工作，可避免系統(tǒng)中斷。同時，硬件中基于AMC的實時逐周期電流保護檢測PWM信號，并且可在微秒(μs)內(nèi)關(guān)斷PWM信號以防止系統(tǒng)損壞。
英飛凌工業(yè)與多元化市場微控制器部門高級總監(jiān)Stephan Zizala |
英飛凌(Infineon)最新推出的基于ARM Cortex-M0的XMC1000系列微控制器，也針對電機控制進行了多項優(yōu)化，并試圖以“32位功能、8位價格”的高性價比來打開市場之門。英飛凌工業(yè)與多元化市場微控制器部門高級總監(jiān)Stephan Zizala表示，“性能、外設(shè)、存儲器容量、組合擴展性和價格，是低端微控制器需要突破的5個屏障，XMC1000系列很好的解決了這些問題?！?
他援引IHS的判斷稱，在可預見的將來，8位微控制器仍將占有中國微控制器市場中的最大份額。但是在很多市場中，隨著更多的高位數(shù)、低成本、高性能控制器的出現(xiàn)，8位微控制器將逐步失去市場份額。中國市場需要的，是更具可擴展性的低端產(chǎn)品組合，配備強大的、免費的開發(fā)工具和IP保護，以及系統(tǒng)級解決方案。
以XMC1300為例，它集成了一個功能強大的捕獲/比較單元CCU8和位置接口單元(POSIF)，支持精確的電機位置檢測。并同時集成算術(shù)協(xié)處理器CORDIC，可進行矢量旋轉(zhuǎn)和硬件除法計算，支持無傳感器FOC(磁場定向控制)解決方案，提高電機運行效率，這是其他基于Cortex-M0的單片機產(chǎn)品所沒有的。
此外，工程師還可利用DAVE Apps進行模塊化編程，“比如在電機控制的App應用中，既有針對應用的，也有基于外設(shè)的，設(shè)計人員只需把所用電機的參數(shù)和需求等信息輸入即可。當然，也可自寫程序。”Stephan Zizala表示，“截止2月底，已有20個XMC1000 DAVE Apps發(fā)布，預計全年可達150個?！?
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責編：Quentin
