BLDC电机设计的新架构：可配置混合控制器

为了实现高可靠性、低成本和高效率，目前，电机控制应用设计人员正在从传统的通用或交流(AC)电机设计转换到更为成熟的无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)设计。然而，如果设计人员不能有效获得高级、复杂的 电机控制算法，不管选择哪一种方法都具有挑战性，甚至会导致巨大的研发资源支出及更长的设计时间。 从AC电机转向BLDC电机 飞兆半导体BLDC产品线市场经理简文烯告诉本刊记者，在发展中国家，电机消耗的能量占据工业能源使用的60%~70%，电机驱动电器(洗衣机、空调、风扇等)占据总体家庭功耗的70%左右。因此，在全球，减少电子系统中电机 使用的能量，成为了当前业界急待解决的首要问题。 简文烯对比了传统的AC电机和BLDC电机之间的优劣，AC电机工作效率只有35%，有噪声，体积比BLDC电机大，重量多出33%~50%。旋转速度受限于AC频(50Hz/60Hz)，并且不可调节； 工作时温度会高达90℃，用途单一，寿命短。而BLDC电机的效率高达90%,旋转速度采用线性控制，根据工作负荷可自动调节，工作温度为40℃~45℃，应用范围广泛且寿命长。简文烯指出，如果电子设计工程师要将AC电机控制转换成BLDC/PMSM解决方案，同样也会遇到新的挑战，比如说，以往传统电机设计的工程师对电机的硬件比较了解，而缺乏对电子控制算法和将复杂的数学计算转换为软件编码的经验和专有技术等等。 因此，电机设计工程师希望有新的解决方案能够提供模块化的先进电机控制软件库，能最大限度减少软件设计工作，但是仍然提供可编程的系统控制和通信接口，用于实施附加功能，提供硬件保护和稳健的模拟控制器。简文烯指出，飞兆正是针对市场上这种需求，推出了用于BLDC电机控制的新架构。 用于BLDC电机控制的新架构 简文烯介绍说，为帮助设计人员应对这些成本和软件负担，飞兆半导体开发了FCM8531模拟及数字集成式电机控制器。FCM8531是一款三相混合BLDC/PMSM控制器，具有两个并行处理器，一个是先进的电机控制器(AMC)，另一个是嵌入式微控制器(MCU)。该产品针对复杂的电机控制应用提供了一个完整的单芯片解决方案。这两个核心处理器独立工作，但可通过有助于避免系统挂机并增强硬件保护的内部通信接口协作进行数据交换。FCM8531通过其集 成式硬件控制器和MCU接口管理功能最大限度地减少软件负担，并实现了更高效且快速的负载响应电机系统。据了解，AMC专用于电机控制，由一个基于硬件的电机控制器外加一个可以配置为数种专用电机控制算法的可配置处 理内核。嵌入式MCU是流程控制和通信接口的中心，管理速度控制面板、遥控装置或LED灯指示器等功能；主要职责是MCS 51兼容MCU处理器向AMC提供电机控制指令，执行电机控制行动，并且管理外部通信接口(图1),AMC与MCU之间的MSFR是一个专用功能寄存器，是MCU至AMC间的构建平台。

图1：用于BLDC电机控制的新架构。
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那么，这种混合架构是如何工作的呢？简文烯解释，AMC能够适用各种电机设计，使用可配置和存储的飞兆半导体库执行功能强大的算法，如正弦波控制、磁场定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制，以提供高性能电机控制功能。 与AMC配对使用的MCU接口使用户能轻易改变寄存器的值，满足不同电机操作流程及特点的要求。该器件非常适合于解决无速度传感器风扇应用中的启动抖动，以及各种风扇和泵应用中的噪声和低效率问题。FCM8531具有多种硬件保护功能，如过压保护和过流保护。其设计考虑及提供对所有故障模式的快速响应，同时嵌入式MCU可轻易地实现额外功能。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 可配置混合架构的优势 简文烯强调，飞兆这种模拟及数字集成式电机控制器混合架构的特点与优势主要体现在，一是具有最少的软件工作。使用集成式MCU的AMC能最大限度地减少软件负担，并提供灵活的设计适应性。通过使用飞兆配置和存储在AMC中的软件库，AMC可以执行FOC和DQ控制等强大算法，MCU仅需要简单的系统控制软件编程。 二是可靠性高。AMC和MCU均独立工作，相互之间不会产生干扰，并行处理器避免了系统挂机，并提供更高的系统可靠性。 三是有很稳健的性能。硬件中基于AMC的实时逐周期电流保护检测PWM信号，并且在μs内关断PWM信号以防止系统损坏。 与此同时，在先进的电机控制软件库中，有能够适应各种不同的电机设计，AMC可以配置不同的软件库。例如，AMC软件现有:(1)速度积分：无传感器FOC软件库用于具有静载的应用，比如台扇、空调扇和吊扇等。(2)滑动模式：无传感器FOC软件库用于具有动态负载的应用，比如水泵、油泵和压缩机。(3)霍尔接口:用于霍尔传感器电机控制系统的具有方波/正弦波驱动的软件库。 飞兆还开发了易于使用的开发工具，为用户提供电机控制开发系统(MCDS)IDE和MCDS编程工具套件。该系统与处理核心一起提供一个集成式软件工程平台，有利于快速开发电机控制程序。当与MCDS编程工具套件一起使用时，可快速完成代码编程，从而可实时调整电机运行信号。 FCM8531可配置混合电机控制器 简文烯说，FCM8531可配置混合电机控制器是一款易于使用的完全集成解决方案，带有完整的开发工具和先进的电机控制软件库，可以实现极快的上市速度。在AMC中，整合有可配置处理内核、角度预测器和PWM引擎(内含SAW发生器、PWM发生器、SVM发生器、PWM调制和超前角控制)。在嵌入式MCU中，有先进的指令架构、兼容的MCS 51、存储器容量为12KB Flash编程存储器，以及256+1KB SRAM数据存储器；有多达17个GPIO和扩展的16位乘/除单元、全双工串行接口(UART)和IC接口、串行外设接口(SPI)；有三个外部中断、三个16位定时器和可编程15位看门狗定时器，内置上电重置(POR)及时钟发生器支持OCDS和ISP。 简文烯强调，除AMC和MCU之外，飞兆半导体的完整电机解决方案还提供了用于电机系统的所有主要功能构件，其中包括:BLDC控制器、集成式PWM控制器、功率因数校正(PFC)控制器、SPM智能功率模块、IGBT/MOSFET、HV栅极驱动器和光耦合器(图2)。正是这种整体解决方案提供了极高的电源效率和系统可靠性，同时降低工程开发时间及系统成本，简化了从交流电机到BLDC/PMSM设计的转换。

图2：飞兆半导体的完整电机解决方案。
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简文烯认为，FCM8531可配置混合电机控制器是硬件和软件集成的理想解决方案，可广泛应用于无传感器IPM/SPM BLDC/PMSM电机、风扇、泵、电动工具以及电动自行车等。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载