优化多电机控制系统设计
时间：2017-04-27 09:32:21
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近年来，科技进步引领微控制器 (MCU) 的使用快速增长，并广泛应用于洗衣机、空调及其他家电。而现代电机控制算法，则可以让这些产品从中受益，实现高效安静运行。MCU 还能应用于物联网应用的机对机通信以及整机控制中。总的来说，制造商能够生产更高效、运行噪音更小的电器，并且在提高性能安全的同时保持高性价比。
开发现代电器时，需要同时控制多个电机对工程师来说会是一大挑战。工程师不仅要处理更高的复杂性，还必须确保任何情况下的安全运行，包括设备故障时的安全。
如图 1 的空调系统所示，需要控制多个电机，包括一个压缩机、数个室内单元风扇及数个室外单元风扇。所有电机必须高效、低噪音地运行，能够准确地侦测过流、过热、机械损坏等问题，以确保故障时也能安全运行。
图1: 空调系统配有多个电机，包括一个压缩机、数个室内单元电机及数个室外单元电机。
图2所示为现代电机控制中常用于永磁同步电动机 (PMSM) 的向量控制和磁场定向控制 (FOC) 算法。左边的浅蓝色模块表示软件内执行的功能，包括坐标变换（Clarke、Park 及其逆变量）和 PID（比例、积分、微分）控制器等。
“内部硬件”由专用的微控制器外设组成，这让软件模块能够有效地执行。其中模拟数字转换器(ADC) 用于测量与脉冲宽度调制 (PWM) 同步的电机绕组的电流，并馈送回控制算法。控制算法的输出必须传达至逆变器中的功率开关器。逆变器则使用 PWM 控制技术来驱动电机，包括用于应对功率晶体管有限开关速度的死区时间插入。
图2: 用于交流空调电机控制的逆变器算法，分为软件、内部及外部硬件三大模块
内部硬件中的多功能计时器 (MFT) 不但可以为每一个输出信号 (u、v、w) 及其互补信号 (u-、v-、w-) 产生基本 PWM 脉冲，包括死区时间。这些信号是用于驱动输出桥的高低侧开关。在这个示例中，采用内部正交位置和分辨率计数器(QPRC) 外设以获取转子位置信息。磁场定向控制（FOC） 算法执行所需的转子信息可通过工业环境中 PMSM 电机上安装的光学或磁性编码器获取，如伺服驱动器。在家用电器或其他应用中，该模块通常使用“无传感”控制方法实行。无传感控制通过电机数学模型计算转子距离已测量电机电流的位置，而不是测量转子的位置。
当一个微控制器控制多个电机时，进行高效、实时的密集计算需要一个复杂的软件架构。而这种软件架构开发难度高、调试耗时大、并且难以测试电机性能是否达到要求的质量和安全水平。多功能计时器和转速表此类集成外设可以通过减少 MCU 的计算量来简化多电机控制。此外，可利用软件库协助外设进一步简化设计，并缩短上市时间。
使用多个 多功能计时器 可以实现微控制器向多个电机输出信号。例如，赛普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 集成了 3 个 多功能计时器，令多达 18 个 PWM 通道（例如，9 对互补信号）能够控制三相电机。每个多功能计时器单元包含 3 个通道的自由运行计时器、6 个输出比较单元、4 个输入捕获单元、数个 ADC触发器单元以及 1 个波形发生器 (WFG) 。另外，多功能计时器 支持紧急停机和噪音消除器。
仅需几个步骤，多功能计时器就可以产生一个 PWM 波形。自由运行计时器可以为 PWM 信号提供时间基准，并确定 PWN 的分辨率和频率。输出比较单元 (OCU) 能为每个输出相位确定占空比信号 RT1、3、5（注意：图3 显示的示例配置仅使用 3 个输出比较单元。）信号发生器发出相应的互补信号 RTO0-RTO5，包括从 RT 信号自动插入死区时间，现在可以控制 FET 此类功率管或 IGBT 功率管。信号发生器也可以处理此类问题，如故障引起的过流。PWM 则可以立即关机。这不需要软件参与，也不要启动故障安全运行。
波形发生器的噪音消除器可以侦测有效的过流事件，也就是说，不会触发短暂的尖峰噪声。就过流事件而言，波形发生器将 MCU 输出管脚从 RTO0-RTO5 切换回他们的正常通用输入输出 (GPIO) 功能。这让初始化时相应寄存器的预编程能够定义故障安全状态（例如，高输出、低输出或高阻）。除了硬件 PWM 关机，还会允许中断，以在应用层面上进一步处理故障问题。
图3: 运用多功能计时器产生 PWM 波形
QPRC 在使用正交编码器的电机控制系统中起着重要的作用。它有三个输入通道 - AIN、BIN 和 ZIN，用于输入两个正交信号和一个可选的零指数信号。通过这些信号，QPRC 可以侦测转子位置和转动方向。另外有一个分辨率计数器会在每次转动后增速或减速。这样，转子转动多次后也能计算出转子的绝对位置。这对线性驱动器、变速箱和其他定位应用都非常有用。
图4显示基于赛普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 设计的现代空调系统 - 系统框图。室外单元包含一个压缩机和一个风扇，均利用上述的磁场定向控制（FOC）算法以实现效能最大化。另外，测量室外温度等各种数据的感应器和 MCU 相连接。室外和室内单元的连接也可以使用简单的串行协议，例如 UART 或者 SPI。
室内单元需要控制一个或多个风扇/吹风机，也可以运用磁场定向控制算法，保证运行高效而安静。另有几个感应器用于测量室温、湿度及其他参数。除了连接室外单元，室内单元还要与空调整合到建筑物管理系统 (BEMS)，统筹供热通风与空气调节（Heating, Ventilation, Air Conditioning，HVAC)。此过程通过 CAN 接口可完成。
室内和室外单元都提供需要的性能和效能。赛普拉斯 S6E2H FM4 微控制器是此类应用的理想选择，将高性能电机控制、CAN 等通讯接口以及充足的用于额外监测和控制功能的资源集成为一体的低成本解决方案。
图4: 现代空调系统的多电机控制系统框图
