高效、無傳感器電機控制的無代碼實現

運動控制應用的設計人員面臨著優化性能和效率同時將組件數量和空間保持在最低限度的壓力。理想的情況是對這些應用中使用的永磁同步電機 (PMSM) 進行無傳感器控制，但這種控制很復雜，并且傳統上需要廣泛的設計和編碼技能來開發適當的算法。?

近年來，已經引入了數字IC技術，以減輕設計人員的編碼負擔。隨著先進半導體控制器和支持工具的最新發展，現在可以實現復雜的無傳感器控制方案，而無需編寫任何代碼。

一般來說，PMSM 與其他電機類型相比具有多項優勢。沒有換向器使 PMSM 比直流電機更可靠。通過使用永磁體產生轉子磁通量，PMSM 比需要磁化和定子電流的交流感應電機更有效。因此，PMSM 可以在家庭、工業、汽車和航空航天應用中找到。典型的家庭應用包括冰箱、洗碗機或洗衣機等白色家電。在工業中，PMSM 可用于各種應用，包括機器人、風扇、泵、起重機、電動工具、紡織機械和手動工具。PMSM 也可以在電動和混合動力汽車中找到，可靠性和效率的結合使它們非常適合最新類型的車輛 - 無人機。

無傳感器磁場定向控制 (FOC) 的優勢

FOC 是一種數學矢量控制技術，用于控制交流和無刷直流電機。與替代開環控制相比，一個很大的優勢是 FOC 允許測量和控制扭矩。FOC 將磁通量和轉矩矢量作為兩個并行運行的回路來處理。因此，當在交流感應電機中使用時，尤其是在較低速度下，FOC 可以提高效率，因為磁通量和轉矩產生電流的去耦允許更精確地控制這兩個元件。

FOC 對于 PMSM 系統特別有用，因為它提供了一種有效的方式來控制變速驅動器或其他具有非常動態負載的應用中的同步電機。還可以取消傳感器（通常是編碼器）并提供閉環控制，而不會不利地增加系統成本。傳感器的移除還消除了相關的布線、重量和能源使用，從而實現了更高效、緊湊和可靠的解決方案。

與交流感應相比，工程師在永磁系統（例如無刷直流電機）中的效率更高，因為不需要電流來產生轉子磁通量。FOC 提供的精確線性控制更好地支持變速運行，并且由于電機性能更平穩，減少的轉矩波動轉化為更安靜的風扇運行。

實施 FOC 控制方案的挑戰

對于所有相關的方程，FOC 比換向更難理解——至少在最初是這樣。然而，揭開謎底揭示了一個簡單的控制回路和實現基于 FOC 的電機控制系統的四個主要步驟；i) 測量電機中流動的電流 ii) 將其與控制輸入（所需電流）進行比較 iii) 將差值放大并用作控制電壓信號 iv) 通過調制過程將控制信號施加到電機.

實施 FOC 的主要挑戰是管理所需系統性能和成本之間的權衡。電機每相中的簡單分流器或直流鏈路路徑上的單個分流器可能足以滿足基本的電機控制驅動。

整體系統精度是系統 ADC 分辨率的函數（10 位是典型的，但 12 位可用于高精度應用）以及控制環路的速度（10kHz 適用于許多應用，而 20kHz 是常用的為了更精確）。然而，更高的位數和更高的工作頻率需要更大的處理能力，因此需要更多的成本。

平臺方法簡化了集成

隨著集成設計平臺的出現，工程師現在可以輕松地為任何變速三相電機應用實施無傳感器 FOC 系統。所有必要的控制算法都可以嵌入到控制 IC 中。與傳統設計方法相比，配置實用程序使用戶能夠快速啟動電機并更快地進行應用測試和硬件設計。

這種方法的一個例子是 IRMCK099（圖 1），這是一種低成本、高性能的基于 OTP 存儲器的運動控制 IC，主要設計用于無傳感器電機控制應用。與需要對 MCU 元件進行一些編程的早期電機控制 IC 不同，該 IC 具有電機控制引擎 (MCE)，固件中包含控制算法（基于標準庫塊）以及硬件加速器。此 MCE 通過硬件和固件元素的組合使用單支路或支路分流器電流反饋在內部和表面 PMSM 中實現無傳感器 FOC。

圖 1：框圖 – IRMCK099 運動控制 IC

該控制 IC 采用 5mm x 5mm、32 引腳 QFN 封裝中的所有主要系統元件，采用 3.3V 單電源供電。內置 ADC 提供 12 位分辨率和 2μS 的快速轉換時間，使其成為精密應用的理想選擇。除了高級 ADC 之外，還有一個 100 MHz 內部振蕩器，無需外部時鐘。Sigma Delta DAC 提供兩通道模擬輸出，所有模擬輸入都經過工廠校準。除了具有 CRC 存儲器檢查功能的 16kB 板載 OTP 存儲器外，該器件還具有先進的通信和接口子系統，包括一個 57.6kBps UART、8 個數字 GPIO 端口、6 個 PWM 輸出和一個 I 2C 接口。四個寄存器可選控制輸入通過 UART、模擬電壓、頻率或占空比支持電機速度和方向控制，提高了設計靈活性。這確保了各種應用程序中的簡化接口。

單分流器重建功能允許使用單個外部分流器實現 FOC 控制所需的精確電流測量，從而最大限度地減少外部模擬和數字電路。相移 PWM 消除了最小脈沖限制，改善了電機在低速下的啟動并降低了運行中的噪音。

其他內置安全和保護功能包括轉子鎖定保護和捕捉旋轉，以在應用控制輸入之前檢測電機的任何旋轉。

“無代碼”實施

與基于 MCU 或 DSP 的 FOC 設計相比，專用 IC 方法可以實現無需編程的運動控制設計。

可以使用基于 GUI 的驅動器配置和設計工具來執行參數計算（圖 2）。它從一個簡單的基于表單的對話框開始，該對話框以易于理解、對工程師友好的格式捕獲所有電機參數和應用信息，例如速度和加速度——以及需要的文本和圖片。完成后，參數會自動導出到設計工具。該工具有助于路測和參數調整。工程師可以通過優化負載下的驅動參數來啟動和停止電機，并實現最佳性能，從而允許對各個控制寄存器中的數據進行有意義的編輯。強大的參數跟蹤工具允許用戶跟蹤和繪制內部控制變量，從而快速調試和提高驅動器性能。