近年來,，科技進步引領微控制器 (MCU) 的使用快速增長,，并廣泛應用于洗衣機,、空調及其他家電,。而現(xiàn)代電機控制算法,，則可以讓這些產品從中受益,，實現(xiàn)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,?？偟膩碚f，制造商能夠生產更高效,、運行噪音更小的電器,，并且在提高性能安全的同時保持高性價比。
開發(fā)現(xiàn)代電器時,，需要同時控制多個電機對工程師來說會是一大挑戰(zhàn),。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，包括設備故障時的安全,。
如圖 1 的空調系統(tǒng)所示,，需要控制多個電機，包括一個壓縮機,、數(shù)個室內單元風扇及數(shù)個室外單元風扇,。所有電機必須高效、低噪音地運行,，能夠準確地偵測過流,、過熱、機械損壞等問題,，以確保故障時也能安全運行,。
圖1: 空調系統(tǒng)配有多個電機，包括一個壓縮機,、數(shù)個室內單元電機及數(shù)個室外單元電機
優(yōu)化功能
圖2所示為現(xiàn)代電機控制中常用于永磁同步電動機 (PMSM) 的向量控制和磁場定向控制 (FOC) 算法,。左邊的淺藍色模塊表示軟件內執(zhí)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”由專用的微控制器外設組成,，這讓軟件模塊能夠有效地執(zhí)行。其中模擬數(shù)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,。控制算法的輸出必須傳達至逆變器中的功率開關器,。逆變器則使用 PWM 控制技術來驅動電機，包括用于應對功率晶體管有限開關速度的死區(qū)時間插入,。
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器 (MFT) 不但可以為每一個輸出信號 (u,、v,、w) 及其互補信號 (u-、v-,、w-) 產生基本 PWM 脈沖,，包括死區(qū)時間。這些信號是用于驅動輸出橋的高低側開關,。在這個示例中,，采用內部正交位置和分辨率計數(shù)器(QPRC) 外設以獲取轉子位置信息,。磁場定向控制（FOC） 算法執(zhí)行所需的轉子信息可通過工業(yè)環(huán)境中 PMSM 電機上安裝的光學或磁性編碼器獲取，如伺服驅動器,。在家用電器或其他應用中,，該模塊通常使用“無傳感”控制方法實行。無傳感控制通過電機數(shù)學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,。
當一個微控制器控制多個電機時，進行高效,、實時的密集計算需要一個復雜的軟件架構,。而這種軟件架構開發(fā)難度高、調試耗時大,、并且難以測試電機性能是否達到要求的質量和安全水平,。多功能計時器和轉速表此類集成外設可以通過減少 MCU 的計算量來簡化多電機控制。此外,，可利用軟件庫協(xié)助外設進一步簡化設計,，并縮短上市時間。
使用多個 多功能計時器 可以實現(xiàn)微控制器向多個電機輸出信號,。例如,，賽普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 集成了 3 個 多功能計時器，令多達 18 個 PWM 通道（例如,，9 對互補信號）能夠控制三相電機,。每個多功能計時器單元包含 3 個通道的自由運行計時器、6 個輸出比較單元,、4 個輸入捕獲單元,、數(shù)個 ADC觸發(fā)器單元以及 1 個波形發(fā)生器 (WFG) 。另外,，多功能計時器 支持緊急停機和噪音消除器,。
僅需幾個步驟，多功能計時器就可以產生一個 PWM 波形,。自由運行計時器可以為 PWM 信號提供時間基準,，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 信號自動插入死區(qū)時間,，現(xiàn)在可以控制 FET 此類功率管或 IGBT 功率管。信號發(fā)生器也可以處理此類問題,，如故障引起的過流,。PWM 則可以立即關機,。這不需要軟件參與，也不要啟動故障安全運行,。
波形發(fā)生器的噪音消除器可以偵測有效的過流事件,，也就是說，不會觸發(fā)短暫的尖峰噪聲,。就過流事件而言,，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 關機,，還會允許中斷,，以在應用層面上進一步處理故障問題。
圖3: 運用多功能計時器產生 PWM 波形
QPRC 在使用正交編碼器的電機控制系統(tǒng)中起著重要的作用,。它有三個輸入通道 - AIN,、BIN 和 ZIN，用于輸入兩個正交信號和一個可選的零指數(shù)信號,。通過這些信號,，QPRC 可以偵測轉子位置和轉動方向。另外有一個分辨率計數(shù)器會在每次轉動后增速或減速,。這樣,，轉子轉動多次后也能計算出轉子的絕對位置。這對線性驅動器,、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(xiàn)代空調系統(tǒng) - 系統(tǒng)框圖。室外單元包含一個壓縮機和一個風扇,，均利用上述的磁場定向控制（FOC）算法以實現(xiàn)效能最大化,。另外，測量室外溫度等各種數(shù)據(jù)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單的串行協(xié)議,，例如 UART 或者 SPI。
室內單元需要控制一個或多個風扇/吹風機,，也可以運用磁場定向控制算法，保證運行高效而安靜,。另有幾個感應器用于測量室溫,、濕度及其他參數(shù)。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(tǒng) (BEMS),，統(tǒng)籌供熱通風與空氣調節(jié)（Heating, Ventilation, Air Conditioning,，HVAC)。此過程通過 CAN 接口可完成,。
多電機工業(yè)和家庭應用的控制系統(tǒng)
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(jiān)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(xiàn)代空調系統(tǒng)的多電機控制系統(tǒng)框圖
公司信息: Cypress-賽普拉斯
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