如今越來越多的電器制造商采用變速永磁(PM)同步電機來提高能效、增加產(chǎn)品特性。工業(yè)驅(qū)動器制造商很早就認識到PM電機具有高能效和高功率重量比，但控制電子技術的最新進展才使得PM電機被電器制造商廣泛采納。

　　只需采用直流環(huán)節(jié)電流反饋技術的定向控制(FOC)可最小化系統(tǒng)成本，對電器驅(qū)動器應用非常有吸引力。電機的正弦控制可產(chǎn)生平滑的扭矩輸出，輸出的聲學噪聲很低。因此，F(xiàn)OC適合用在風扇、水泵、洗衣機和干衣機等低噪聲和高能效非常重要的設備中。

　　空調(diào)和洗衣干衣機等許多電器設備必須獨立控制兩個電機的速度，以優(yōu)化它們的性能。這些系統(tǒng)所采用的傳統(tǒng)方法是使用帶串行通信鏈路的電機控制處理器來實現(xiàn)同步。但是，如果用一個器件控制兩個電機，就可以大大簡化硬件和系統(tǒng)設計。最近推出的電器控制平臺可僅利用直流母線電流反饋技術同時控制兩個PM交流電機，該芯片采用嵌入式FOC算法，可縮短開發(fā)時間，并推動電器制造商快速采納這種技術。

　　無傳感器電機控制算法的實現(xiàn)

　　FOC在工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)中很常見，它一般采用編碼器或分解器測量轉子的位置。閉環(huán)電流控制算法利用轉子的角坐標校正電機電流和轉子磁通，從而實現(xiàn)扭矩輸出的最大化。電器控制系統(tǒng)中先進的轉子位置估算算法無需使用高分辨率位置傳感器(圖1)。

圖1：定向控制(FOC)系統(tǒng)通過使用直流環(huán)節(jié)電流反饋技術消除了對位置傳感器的需求

　　估算算法根據(jù)采用繞組電壓和電流的電機模型，獲得PM的轉子磁通位置。這種方法非常合適，因為轉子上的磁體決定了轉子磁通的位置。繞組電流測量數(shù)據(jù)是利用基于功率變換器的狀態(tài)知識的正確的ADC采樣時序，從直流環(huán)節(jié)電流中獲得的。系統(tǒng)框圖表明，繞組電流測量數(shù)據(jù)和繞組電壓驅(qū)動值是計算轉子角位置和角速度的轉子磁通模型的輸入。扭矩和磁通控制環(huán)路不僅能在較低速度范圍內(nèi)實現(xiàn)最大的扭矩輸出，還可以實現(xiàn)弱磁下的高速操作。

　　在第一代FOC電機驅(qū)動系統(tǒng)中，這些功能是由模擬和數(shù)字器件的組合電路實現(xiàn)的。如今，這些電機驅(qū)動系統(tǒng)中的大部分已采用高速DSP或RISC處理器在單個器件上實現(xiàn)相關算法。軟件實現(xiàn)不僅帶來了靈活和硬件簡單的優(yōu)點，也給驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)人員帶來重要的軟件開發(fā)任務。生成控制算法的軟件代碼需要許多步驟。第一步，系統(tǒng)工程師將控制原理圖轉換成代表各種控制功能的微分方程組。第二步，軟件工程師將這些微分方程轉換成代表處理器執(zhí)行指令的C代碼。這個過程出錯，從而延長開發(fā)時間，除非代碼具有很好的結構和文檔，并有長期軟件維護小組。RISC處理器和DSP供應商可以提供一整套FOC軟件實例來幫助電機驅(qū)動公司加快開發(fā)進程。這是很有可能的，因為FOC控制技術非常成熟，所以算法結構也可以定義得非常完善。然而，軟件實現(xiàn)在目前是沒有特別優(yōu)勢的，因為算法結構的靈活性不是必需的。

　　控制系統(tǒng)設計工程師可以利用數(shù)字ASIC或FPGA技術，以硬件方式實現(xiàn)FOC算法。開發(fā)過程的第一步與軟件方法沒太大區(qū)別，但在第二步中不再使用C代碼，而是由硬件工程師將微分方程轉換成代表邏輯門互連的Verilog代碼。這種設計可以在控制寄存器中定義并存儲控制參數(shù)，以提供靈活性，但在數(shù)字ASIC中實現(xiàn)算法結構的硬連線。這種方法在要求高速處理的電信系統(tǒng)中非常普遍，許多電機控制ASIC可以實現(xiàn)FOC和其它電機控制功能。這種方法的優(yōu)點不僅在于執(zhí)行速度，還在于它能顯著縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。

　　運動控制引擎(MCE)則提供另一種方法，該方法兼有專用ASIC硬件的高速性能和可編程處理器的靈活性。這種方法特別有效，因為FOC算法使用了許多標準函數(shù)，比如誤差放大器、比例積分(PI)補償器，以及會多次出現(xiàn)在控制電路中的矢量旋轉器。MCE由硬件電機控制函數(shù)庫組成，通過將輸入和輸出存儲器地址分配給相應的系統(tǒng)變量，可高效地實現(xiàn)運動控制定序器與這些函數(shù)的互連。

　　控制系統(tǒng)工程師不需要將控制原理圖轉換成微分方程組，因為在MCE庫中具有經(jīng)過充分優(yōu)化的ASIC實現(xiàn)。相反，控制系統(tǒng)工程師采用原理圖編輯工具，以圖形化的方式通過互連運動控制庫中的標準函數(shù)來確定控制原理圖。圖形化編譯器將控制原理圖轉換成用于互連硬件控制函數(shù)的MCE定序器命令。編譯器將MCE的共享RAM區(qū)中的各個地址，分配給控制節(jié)點定義的每個算法變量。MCE定序器命令定義每個控制函數(shù)塊以及輸入輸出變量的存儲器地址。因為MCE將這些命令存儲在存儲器中，所以具有與RISC處理器和DSP一樣的靈活性。

　　PWM開關頻率設置算法執(zhí)行的時序、ADC采樣率和輸出電壓的更新速率。MCE庫元件代表空間矢量調(diào)制器和ADC輸入，但它們在控制原理圖中只出現(xiàn)一次，因為它們與物理的輸入輸出引腳相對應。另一方面，矢量旋轉器或PI補償器等MCE庫控制函數(shù)可以多次出現(xiàn)在控制算法中，因為MCE將它們的輸入輸出存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。庫函數(shù)的每次實例化都會占用數(shù)據(jù)存儲器空間來存儲變量和MCE指令，因此存儲器容量限制了算法的復雜性。每個庫函數(shù)在每次執(zhí)行時都會占用一定的系統(tǒng)時鐘周期，因此控制環(huán)路總的時鐘周期數(shù)必須小于PWM周期中的時鐘周期數(shù)。

　　轉子角度估算器和電流控制環(huán)路大約要消耗1,400個系統(tǒng)時鐘周期，相當于128MHz最大系統(tǒng)時鐘頻率下的11μs時間。這樣，在相當于20kHz開關頻率的50μs PWM周期下，可以同時實現(xiàn)對兩個電機的控制。當然，為控制兩個電機，芯片需要兩套空間矢量PWM調(diào)制器和用于電流采樣的額外模擬輸入端。圖2是一個雙電機控制IC的結構圖，它包含嵌入式運動控制引擎和用于執(zhí)行應用層代碼的8位微控制器內(nèi)核。這種方法的優(yōu)勢是它能將在微控制器上執(zhí)行的慢速系統(tǒng)級功能與MCE執(zhí)行的高速電機控制算法分隔開來。

圖2：包含用來執(zhí)行應用層任務的8位微控制器的雙電機控制芯片

　　MCE庫函數(shù)

　　高速執(zhí)行控制算法的關鍵是MCE庫函數(shù)在ASIC中的實現(xiàn)效率。兩個重要的反饋控制單元(PI控制補償器和矢量旋轉塊)可以作為庫函數(shù)的典型例子。ASIC實現(xiàn)需要優(yōu)化硅片和時鐘周期的使用，并同時不犧牲魯棒性和可靠性。

圖3：比例積分(PI)控制補償器可高效地使用MCE硬件資源和時鐘周期