高效、无传感器电机控制的无代码实现

运动控制应用的设计人员面临着优化性能和效率同时将组件数量和空间保持在最低限度的压力。理想的情况是对这些应用中使用的永磁同步电机 (PMSM) 进行无传感器控制，但这种控制很复杂，并且传统上需要广泛的设计和编码技能来开发适当的算法。 

近年来，已经引入了数字IC技术，以减轻设计人员的编码负担。随着先进半导体控制器和支持工具的最新发展，现在可以实现复杂的无传感器控制方案，而无需编写任何代码。

一般来说，PMSM 与其他电机类型相比具有多项优势。没有换向器使 PMSM 比直流电机更可靠。通过使用永磁体产生转子磁通量，PMSM 比需要磁化和定子电流的交流感应电机更有效。因此，PMSM 可以在家庭、工业、汽车和航空航天应用中找到。典型的家庭应用包括冰箱、洗碗机或洗衣机等白色家电。在工业中，PMSM 可用于各种应用，包括机器人、风扇、泵、起重机、电动工具、纺织机械和手动工具。PMSM 也可以在电动和混合动力汽车中找到，可靠性和效率的结合使它们非常适合最新类型的车辆 - 无人机。

无传感器磁场定向控制 (FOC) 的优势

FOC 是一种数学矢量控制技术，用于控制交流和无刷直流电机。与替代开环控制相比，一个很大的优势是 FOC 允许测量和控制扭矩。FOC 将磁通量和转矩矢量作为两个并行运行的回路来处理。因此，当在交流感应电机中使用时，尤其是在较低速度下，FOC 可以提高效率，因为磁通量和转矩产生电流的去耦允许更精确地控制这两个元件。

FOC 对于 PMSM 系统特别有用，因为它提供了一种有效的方式来控制变速驱动器或其他具有非常动态负载的应用中的同步电机。还可以取消传感器（通常是编码器）并提供闭环控制，而不会不利地增加系统成本。传感器的移除还消除了相关的布线、重量和能源使用，从而实现了更高效、紧凑和可靠的解决方案。

与交流感应相比，工程师在永磁系统（例如无刷直流电机）中的效率更高，因为不需要电流来产生转子磁通量。FOC 提供的精确线性控制更好地支持变速运行，并且由于电机性能更平稳，减少的转矩波动转化为更安静的风扇运行。

实施 FOC 控制方案的挑战

对于所有相关的方程，FOC 比换向更难理解——至少在最初是这样。然而，揭开谜底揭示了一个简单的控制回路和实现基于 FOC 的电机控制系统的四个主要步骤；i) 测量电机中流动的电流 ii) 将其与控制输入（所需电流）进行比较 iii) 将差值放大并用作控制电压信号 iv) 通过调制过程将控制信号施加到电机.

实施 FOC 的主要挑战是管理所需系统性能和成本之间的权衡。电机每相中的简单分流器或直流链路路径上的单个分流器可能足以满足基本的电机控制驱动。

整体系统精度是系统 ADC 分辨率的函数（10 位是典型的，但 12 位可用于高精度应用）以及控制环路的速度（10kHz 适用于许多应用，而 20kHz 是常用的为了更精确）。然而，更高的位数和更高的工作频率需要更大的处理能力，因此需要更多的成本。

平台方法简化了集成

随着集成设计平台的出现，工程师现在可以轻松地为任何变速三相电机应用实施无传感器 FOC 系统。所有必要的控制算法都可以嵌入到控制 IC 中。与传统设计方法相比，配置实用程序使用户能够快速启动电机并更快地进行应用测试和硬件设计。

这种方法的一个例子是 IRMCK099（图 1），这是一种低成本、高性能的基于 OTP 存储器的运动控制 IC，主要设计用于无传感器电机控制应用。与需要对 MCU 元件进行一些编程的早期电机控制 IC 不同，该 IC 具有电机控制引擎 (MCE)，固件中包含控制算法（基于标准库块）以及硬件加速器。此 MCE 通过硬件和固件元素的组合使用单支路或支路分流器电流反馈在内部和表面 PMSM 中实现无传感器 FOC。

图 1：框图 – IRMCK099 运动控制 IC

该控制 IC 采用 5mm x 5mm、32 引脚 QFN 封装中的所有主要系统元件，采用 3.3V 单电源供电。内置 ADC 提供 12 位分辨率和 2μS 的快速转换时间，使其成为精密应用的理想选择。除了高级 ADC 之外，还有一个 100 MHz 内部振荡器，无需外部时钟。Sigma Delta DAC 提供两通道模拟输出，所有模拟输入都经过工厂校准。除了具有 CRC 存储器检查功能的 16kB 板载 OTP 存储器外，该器件还具有先进的通信和接口子系统，包括一个 57.6kBps UART、8 个数字 GPIO 端口、6 个 PWM 输出和一个 I 2C 接口。四个寄存器可选控制输入通过 UART、模拟电压、频率或占空比支持电机速度和方向控制，提高了设计灵活性。这确保了各种应用程序中的简化接口。

单分流器重建功能允许使用单个外部分流器实现 FOC 控制所需的精确电流测量，从而最大限度地减少外部模拟和数字电路。相移 PWM 消除了最小脉冲限制，改善了电机在低速下的启动并降低了运行中的噪音。

其他内置安全和保护功能包括转子锁定保护和捕捉旋转，以在应用控制输入之前检测电机的任何旋转。

“无代码”实施

与基于 MCU 或 DSP 的 FOC 设计相比，专用 IC 方法可以实现无需编程的运动控制设计。

可以使用基于 GUI 的驱动器配置和设计工具来执行参数计算（图 2）。它从一个简单的基于表单的对话框开始，该对话框以易于理解、对工程师友好的格式捕获所有电机参数和应用信息，例如速度和加速度——以及需要的文本和图片。完成后，参数会自动导出到设计工具。该工具有助于路测和参数调整。工程师可以通过优化负载下的驱动参数来启动和停止电机，并实现最佳性能，从而允许对各个控制寄存器中的数据进行有意义的编辑。强大的参数跟踪工具允许用户跟踪和绘制内部控制变量，从而快速调试和提高驱动器性能。

图 2：iMOTION 为电机的磁场定向控制提供简化的设计流程

图 3：iMOTION 参考设计板可轻松从设计迁移到生产

一系列开发和支持工具进一步支持电机控制系统的快速开发，包括参考设计板（图 3）。左侧的 RDB 是一个电机控制系统，包含控制 IC 和智能电源模块 (IPM) 以及所有必要的组件，右侧的 RDB 具有智能 µIPM。