無論是工業(yè)、家庭還是商業(yè)用電,電機是耗能的“第一大戶”,提升其運行效率是節(jié)能的不二之選。IEA(國際能源機構(gòu))曾指出,電機功耗占全球總能耗的45%,提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率將使全球電力消耗降低9%～14%。在能源短缺及環(huán)保要求雙重壓力下,更高的能效、更出色的動態(tài)性能和更低的運行噪聲已成為電機驅(qū)動的重要設(shè)計要求。

2010年～2015年全球主要家用電器的出貨量增長32%,而PMSM/BLDC馬達的采用比例也將增長1倍。

三相無刷電機需全新解決方案

BLDC需要新的解決方案提供模塊化的先進馬達控制軟件庫,最大限度減少軟件設(shè)計工作。

在交流電機、直流電機兩類電機中,直流電機取代交流電機已是趨勢使然。直流電機又分為直流有刷及無刷電機,直流無刷電機中的三相無刷直流(BLDC)電機和永磁異步電機(PMSM)因為體積更小、可靠性更高、運行效率更高,更加契合環(huán)保需求。德州儀器(TI)的MCU業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻就表示,為了實現(xiàn)高可靠性、低成本和高效率,業(yè)界正從有刷向三相無刷電機邁進。

飛兆半導(dǎo)體公司BLDC產(chǎn)品線市場經(jīng)理簡文烯也介紹說,AC(交流)馬達轉(zhuǎn)向BLDC馬達的趨勢越來越明顯,據(jù)預(yù)計,2010年～2015年全球主要家用電器的出貨量增長32%,而PMSM/BLDC馬達的采用比例也將增長一倍,因為其在體積、效率、轉(zhuǎn)速控制、壽命等方面都更出色。

此外,在BLDC類型中也呈現(xiàn)由有傳感器向無傳感器轉(zhuǎn)型的趨勢。吳健鴻表示,如在傳統(tǒng)磁場定向控制(FOC)電機設(shè)計中,采用轉(zhuǎn)子傳感器既會增加成本,還可能會降低可靠性,從而對系統(tǒng)造成不利影響。此外,在某些特定應(yīng)用如封閉式壓縮機或大型牽引設(shè)備等應(yīng)用中采用傳感器也是不可行的。

雖然業(yè)界一致看好BLDC,但采用BLDC馬達也面臨多重挑戰(zhàn),如需要更高級、更復(fù)雜的電機控制算法,以及更少的開發(fā)成本和更快的開發(fā)效率等。“因而需要新的解決方案提供模塊化的先進馬達控制軟件庫,最大限度減少軟件設(shè)計工作(但仍提供可編程的系統(tǒng)控制和通信接口)等。”簡文烯表示。吳健鴻也指出,無傳感器FOC電機技術(shù)雖可帶來許多系統(tǒng)優(yōu)勢,但許多行業(yè)都因缺乏電機控制系統(tǒng)知識而不得不延遲采用和推廣這些技術(shù)。

MCU主角配角兩相宜

電機控制器的走向已呈現(xiàn)分化的趨勢,而MCU扮演的角色也“主”“次”有別。

對于無刷直流電機而言,先進的FOC方案被廣泛采用,而這需要優(yōu)化的MCU和易用軟件。雖然電機控制器廠商一致認識到電機的商機和未來走向,但沿襲以往的經(jīng)驗以及差異化的考量,電機控制器的走向已呈現(xiàn)分化的趨勢,而MCU扮演的角色也“主”“次”有別。

飛兆最新開發(fā)的集成式電機控制器FCM8531讓MCU成為一個“配角”。簡文烯介紹,FCM8531的核心是單芯片上集成嵌入式MCU(MCS51)和先進馬達控制器(AMC),并通過MSFR實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)交換與存儲。其優(yōu)勢在于通過使用預(yù)先配置和存儲在AMC中的軟件庫,AMC可以執(zhí)行FOC和DQ控制等強大算法,MCU僅需要簡單的系統(tǒng)控制軟件編程,從而實現(xiàn)了最少的軟件控制。AMC和MCU均獨立工作,可避免系統(tǒng)中斷。同時,AMC能實時逐周期電流保護檢測PWM信號,并且可在微秒內(nèi)關(guān)斷OWM信號以防止系統(tǒng)損壞。“此前飛兆的相關(guān)馬達控制芯片產(chǎn)品FCM8201/8202有MCU接口,而新的FCM8531正是基于此基礎(chǔ)之上,把MCU直接集成到單一芯片之中。”簡文烯表示。

這一設(shè)計使得MCU的功能“簡化”為馬達控制的可配置性選項,比如通信、管理速度控制面板、遙控裝置等?！半m然其他廠商推出的MCU是以32位為主,但飛兆從應(yīng)用角度出發(fā),認為MCU的作用是擴展可配置性和實現(xiàn)差異化,因此采用8位8051核。一般電機MCU單元需要工程師具備軟件撰寫的能力,飛兆的方案則降低了開發(fā)技術(shù)門檻,并可大幅縮短開發(fā)周期?！焙單南┱f。簡文烯還表示,以后會在控制器中集成更多的AMC,通過開關(guān)來控制不同步工作的電機。

飛兆有些劍走偏峰的意味,而英飛凌卻是致力于讓基于32位ARM核的MCU作更多的功能集成,以“主角”的身份實現(xiàn)有的放矢的電機控制。英飛凌最新推出基于ARMM0核的XMC1000系列微控制器XMC1300就針對電機控制做了很多優(yōu)化,并以“32位功能、8位價格”的高性價比來打開市場之門。英飛凌科技股份有限公司工業(yè)與多元化市場微控制器部門高級總監(jiān)StephanZizala表示,XMC1300集成了一個功能強大的捕獲/比較單元CCU8和位置接口單元,支持精確的電機位置檢測;同時集成協(xié)處理器CORDIC,可進行矢量旋轉(zhuǎn)和硬件除法計算,支持無傳感器FOC解決方案,從而提高電機運行效率,這是其他基于Cortex-M0的單片機產(chǎn)品所沒有的。此外,XMC1300還包含適用于精確測量和PWM硬件同步化的高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、3個模擬快速比較器以及霍爾傳感器和正交編碼器接口等先進外設(shè),以實現(xiàn)更高效的電機控制。

軟件主攻靈活性

目前電機功能其實已經(jīng)足夠,客戶更關(guān)注價格和解決方案對細分市場的適應(yīng)度。

不管硬件形式有多少差別,軟件算法是電機控制中的“靈魂”,沒有高效的軟件,硬件也就成為“無源之水”。

德州儀器最新支持InstaSPIN-FOC的32位C2000微控制器PiccoloF2806x,最具革新性的就是嵌入在MCU只讀存儲器(ROM)中的FAST軟件編碼器。有它可替代過去的電機傳感器或軟件觀察器,對各種使用條件下的通量、角度、速度和轉(zhuǎn)矩進行可靠、穩(wěn)健估算。吳健鴻表示,以前TI用的是SMO算法,實現(xiàn)FOC需要花費較長時間尋找馬達參數(shù),FAST則可直接調(diào)用。設(shè)計人員可在5分鐘乃至更短的時間內(nèi)識別、調(diào)節(jié)并實現(xiàn)控制,不但可簡化開發(fā),而且還可提高所有可變速度及負載電機應(yīng)用中的電機效率、性能與可靠性,客戶更可集中精力進行差異化設(shè)計。

而英飛凌XMC1000系列采用與去年發(fā)布的高端XMC4000系列完全相同的免費集成式開發(fā)平臺DAVE,還可利用DAVEApps進行模塊化編程。工程師可通過圖形用戶界面進行DAVEApps的選擇、配置和組合,根據(jù)單片機資源自動進行資源分配,并支持自動生成C代碼和軟件文檔?！氨热缭陔姍C控制的APP應(yīng)用中,既有針對應(yīng)用的,也有基于外設(shè)的,設(shè)計人員只需把所用電機的參數(shù)和需求等信息輸入即可。當然,也可自寫程序。”StephanZizala表示,“截至2月底,已有20個XMC1000DAVEApps發(fā)布,預(yù)計全年可達150個?！?/p>

為適應(yīng)不同的馬達設(shè)計,飛兆的AMC也配置了不同的軟件庫,現(xiàn)有速度積分、滑動模式、霍爾接口等,可實現(xiàn)FOC、正弦波控制等。簡文烯表示,飛兆提供的三個庫涵蓋80%的馬達應(yīng)用,針對20%的特殊應(yīng)用軟件也會在今后添加。

無論如何“軟硬兼施”,最重要的是客戶認可度。華中科大某位教授就說,目前電機客戶覺得功能其實足夠,他們更關(guān)注價格和解決方案對細分市場的適應(yīng)度。