电机控制的技术趋势及开发挑战

1   的三大趋势解析

在领域有三大主要趋势，它们呈现出并驾齐驱的态势。这三大趋势分别是：提高能效（绿色倡议）、完善功能安全（最早适用于家电应用，现在应用范围已扩大），当然还有一直以来的降低成本趋势。无论对消费者、Microchip 还是整个世界而言，这三大趋势都极为有利。

据估计，所消耗的电力约占全球电力产能的三分之一。随着能源成本的不断增加，电机控制自然而然成为了提高效率的目标。这就促使应用从BDC 演变为BLDC 再到PMSM，最终发展至IPM 电机，以便在消费品、工业和数据中心应用中实现更高的能效。甚至在汽车领域，提升燃油效率或延长电动汽车（EV）一次完全充电的行驶距离，这样的趋势，也在推动从低成本BDC 到高效BLDC 电机的转变。

当然，这也意味着控制算法必须改变才能保持同步。作为BLDC 电机的简单六步换相或交流感应电机（ACIM）的伏特/ 赫兹算法的替代，您需要使用磁场定向控制（FOC）算法来运转这些电机，这种算法可优化电机的转矩输出，从而最大限度地提高能效。

现在，即便使用标准FOC 算法也不足以满足要求。例如，有一种适用于FOC 的附加算法，可最大程度提高每安培的转矩（MTPA）。这种算法用于IPM 电机。FOC 中加入了另一项功能，称为零速/ 最大转矩（ZS/MT），可在启动或低速状态时最大程度提高电机转矩。它有助于从霍尔传感器转向FOC。幸运的是，Microchip 的电机控制应用工程师们擅长帮助客户在应用中实现此类高级FOC 解决方案。

功能安全这一趋势始于家用电器，但在大约10 年前，随着ADAS应用的开发，汽车领域也开始重视功能安全，很快医疗应用也对安全性提出了很高要求。家电和工业应用均需符合IEC 60730 B 类设备的要求。在汽车领域，该规范称为ISO 26262 ASIL B、C或D。而对于医疗应用，则适用于IEC 61508 SIL 2/SIL 3 规范。

这些功能安全规范在不断发展演变。他们在开始时需要利用软件诊断程序或硬件电路来发现可能造成人身伤害的故障。现在，他们将安全性贯穿于整个设计过程（甚至包括公司的组织形式），以此来控制电气元件的开发过程，为这一流程提供支持。Microchip 现在根据此ISO 流程设计出新的电机控制芯片，并向客户提供功能安全诊断库和用户指南等附加产品，帮助他们实现安全合规性。

降低成本是第三大趋势，它既没有开始，也不会结束。客户希望有能够以最低价格满足其需求的选择，而制造商理所当然地希望将其利润最大化。像Microchip这样的半导体制造商，其最终目标是推动技术几何结构逐渐变小，增加每个硅晶圆上的管芯数量，从而在竞争中取胜。

这必然是一个艰难的过程，但也有很多好处。采用的技术越新，制作出的新芯片的性能水平就越高，闪存程序存储器和数据SRAM 存储器就越大，数字和模拟外设的功能也更强，这不仅完善了电机控制本身，同时还提高了整个应用的功能性。凭借新的特性和功能、更高的运行效率和更强的功能安全性以及比以往更低的价格，助力客户取得成功。

Microchip 16位单片机业务部 资深战略营销经理 Patrick Heath

2   工程师在开发中遇到的困难

电机控制应用开发的主要困难之一是需要一个设计出色的电机控制开发板。它必须能够处理电机产生的电压和电流，并且镀铜层要足以吸收由MOSFET 在高频（通常为20 kHz）下开关产生的热。既不能将其用金属线缠绕，也不能接到电路试验板上。

几年前，我去拜访了一家客户，他们当时正尝试对低电压电子换相风扇电机应用进行调试。他们可以启动电机和风扇，但运转几秒后就会停转。他们连上了调试器，试图找出发生的问题。他们发现，我们的dsPIC^®电机控制DSC 上的CPU 由于在客户代码中的随机位置执行了非法指令而停止。他们希望我能帮助找出电机控制芯片出了什么问题。

我到达时，本打算去一个实验室，但却被带到一间普通的会议室，他们在那里运行电机。令我惊讶的是，他们没有使用PCB（印制板），而是将dsPIC 电机控制DSC 和逆变器组件安装到了电路试验板上，并在周围布满了跳线来连接电路。

由于未使用具有合适接地层的真正PCB，电机产生的电气噪声被耦合到了电机控制器芯片中，导致数据遭到破坏，而这一错误被非法指令异常陷阱所捕获。工程师们认为，调试电路后再进行布线及生产PCB 可以节省时间。

电机控制和数字电源应用也可能比其他类型的嵌入式控制更加危险。当然，这取决于您执行的电机控制类型。如果只是用于消费类玩具或汽车应用的简单低电压BDC 电机，那么它在开路控制中旋转并不困难，也没有足够的功率消耗从而造成麻烦。

但是，我们所看到的大多数客户应用都是针对三相BLDC 或PMSM 电机控制。这些可以是用于汽车的低电压12 V 电机。商业应用通常使用更高的电压，例如用于钻头或其他电动工具的电压为18 V，而工业机械和泵则通常使用24 V 电压。我们还曾将96 V 电机用于踏板车。

您还需要考虑这些电机可能消耗的电流。它们的电流可以低至几安培，但也可以高很多。例如，电钻可以在不到1 s 的时间内从电池组中消耗100 A 的电流。即便我们以一个较小的电流为例，比如10 A。在12 V 电机上，这相当于120 W的标称功率，并且可能高出很多！

在电机控制中有这样一种情况，电机正在快速旋转，而您决定快速使其减速。有时将这种情况称为四象限控制。这种情况下，会产生大量能量，流过逆变电路的高电流导致电压为正常电压的两倍，而您知道此电路无法处理如此大的功率。您会发现MOSFET 可能会变成烟花，然而这可不是应该兴奋的事情，并且您肯定不希望在发生这种情况时站得离电路板太近。

Microchip 了解客户希望从开发阶段快速转入产品上市阶段。对于尚未自行制作硬件的客户，我们提供标准的低电压和高电压开发板，用于三相电机控制。我们甚至转售适合开发板的库存演示电机。客户可以先使用我们的免费应用笔记软件，或使用我们的motorBench^®开发套件FOC 图形用户界面（GUI）生成软件，获得现成的工作解决方案，使他们在数分钟内安全地使电机旋转。不会出现烟花或非法操作代码陷阱！

3   Microchip的解决方案

在Microchip，我们专注于简化客户的电机控制开发流程。让客户能够更快速、更轻松地使电机旋转，从而有更多时间专注于他们的应用需求，并且能缩短整个开发周期。为客户提供原型设计所用的电机控制开发板只是该流程的一半。另一半是软件开发。

过去，为了让客户启动电机控制项目，我们为他们提供了用于控制算法的应用笔记和演示代码，该算法在dsPIC33 电机控制器以及使用我们的一台库存演示电机的一个电机控制开发板上运行。对于相对简单的控制算法，例如6 步换相、无传感器BEMF 甚至是带滑模观测器（SMO）的简化FOC，这种方法十分有效。利用这些算法，只需调整新电机和负载的少量调节参数，而借助调节指南，我们可以轻松指导工程师完成整个过程。

客户通常可以在短短几个小时内使电机旋转起来，这样便有时间关注应用需求。

目前，我们的大多数dsPIC33 电机控制客户都希望在使用PLL 估算器运行FOC 的同时，还能运行其他几种算法。这包括：启动时检测转子位置的初始位置检测（IPD）软件、可最大程度提高电机转速的弱磁（FW）算法、用于最大程度提高电机转矩输出的每安培最大转矩（MTPA）、用于支持较低电机转速的死区时间补偿（DTC）算法、用于减少母线电容量（以节省成本）的过调制（OM）算法、可平稳启动自由旋转电机的风车（WM）算法，以及能使电机安全地快速降速和停止的主动制动（AB）。客户通常希望能混合使用这些附加算法并将部分组合与其主要FOC 算法相匹配。此外，这些附加算法还有各种选项可供选择。这极大地提高了解决方案的复杂程度，远远超出了独立演示代码项目及调节指南所能涵盖的范围。

Microchip 的dsPIC33 电机控制团队几年前就已开始着手解决这一问题。他们创造出一个FOC 软件工具，这款名为motorBench^® 开发套件的GUI，与称作电机控制应用框架（MCAF）的软件框架协同工作，可针对特定电机生成FOC 代码。用户可利用motorBench 工具配置主要FOC 算法的工作方式。例如，您可以选择使用PLL 或角度跟踪PLL（AT-PLL）估算器，或者使用外部增量（光学）编码器来提供转子位置反馈。可以选择和配置三种不同的电机启动算法选项。此外，还可以选择和配置附加算法的选项。

每个电机都具有独特的电气特性！这意味着必须为每个电机和负载定制FOC 参数。为此，motorBench 工具首先执行一个我们称之为自调试（SC）的过程。此过程可以测量电机的几个关键电气参数，例如定子电阻（Rs）、转矩（Ld）和磁通量（Lq）的电感以及电机的反电动势（BEMF）。还可以在电机有负载的情况下测量一些机械参数，包括静摩擦转矩、转子惯性和黏性阻尼。

收集有关电机和负载的信息之后，motorBench 工具可以转至下一步，继续运行电机及调节三个比例积分（PI）控制回路（FOC 的基本构成要素）：转速、Id（转矩）和Iq（磁通量）。这三个PI 回路的参数会自动调节，但用户也可以使用motorBench 开发套件手动调整系数，以调节控制回路的带宽，使之更适合其应用。

完成调节后，MCAF 会生成代码，代码会放置到项目文件中，随后可将这些代码下载并烧写到dsPIC^®数字信号控制器（DSC）上的闪存程序存储器中，使电机旋转。整个过程需要大约5 到10 分钟完成。如果不使用motorBench 工具，整个过程可能需要由数名工程师花费数周甚至数月的时间才能完成，而且这还只是基本的FOC 算法，不包含任何附加算法。要手动将这些附加算法集成到基本FOC 中也相当困难。使用motorBench 工具确实能够帮助用户节省大量时间和精力，使他们有时间专注于实现其应用代码以及更快地将产品推向市场。

（本文来源于《电子产品世界》杂志社2021年3月期）