马达控制面临众多挑战,MCU如何应对?

分享到:

“无刷式电机正逐渐取代较重、较大噪声、且可靠性也较低的有刷式电机。无刷式、步进式或无传感器电机虽然要求更复杂的控制,但却能提供更好的能源优化,而后者正是全球关注的焦点。”Atmel微控制器市场传信总监Philippe Faure在接受《国际电子商情》采访时对目前马达及控制器市场分析道。
一场能源革命正席卷从工业控制到白家电等所有市场,业界对马达控制要求正在快速增长。厂商们追求更高的效率、更好的可靠性、更低的噪声、更低的成本和更强的性能。这些挑战也对马达控制器提出挑战,从而导致马达控制器市场正在出现一场新的革命:它要求马达控制MCU具有更多且更专注的外设、具有磁场导向控制(FOC)功能、有源功率效正因素(PFC)以及DSP功能。同时,MCU本身也要求有更低的功耗,因而采用新一代ARM核的MCU也正在流行。
马达及控制器面临的众多挑战
“马达控制的常规方法正在转向磁场导向控制(FOC),同时集成有源PFC。”英飞凌科技亚太私人有限公司汽车、工业及多元化电子市场事业部微控制器高级总监石敬岩表示,“例如空调室外压缩机和风扇,正在从采用霍尔传感器的区块通信转向采用有源PFC的FOC非传感器方式,可将能源效率提高到0.99以上。”
他接着指出,一些安全方面的规定也对马达控制提出新要求,比如汽车电动车窗儿童安全自动停止系统,当儿童把手或者头探出窗外时,要求电动车窗能够探知这种情况并停止动作。此外,有些新技术也可带来降低系统成本、提高可靠性和改善系统性能等额外好处。例如目前电动自行车马达中的霍尔传感器由于路况恶劣容易脱落,改用无传感器马达可以消除传感器位置移动问题,取消霍尔传感器和减少导线,电动自行车可以变得更加耐用,并使马达成本降低大约70%或者更多。
Microchip数字信号控制部副总裁Sumit Mitra则认为马达及控制器的挑战包括以下几个方面:
1.          更高性能要求
使用开环交流感应马达(ACIM) 或者步进马达的家电制造商们对性能提供了更高的要求。他们发现以前的马达控制方法无法处理现在面临的负载型态(load profile)。例如,负载较高的洗衣机正在从顶部加载向前端加载转变,这代表负载变化程度的明显变化。制造商们越来越多地遇到具有高惯性负载或者变动负载范围较大的应用。
为此,ACIM马达开发者必须增加昂贵的位置传感器,以增加闭环能力来满足性能要求,或者改用其它马达—最常用的三相无刷直流马达(BLDC)。另外,“无传感器”方法也可以用于闭环控制,此时可以利用换向环中便宜的电阻来代替昂贵的位置传感器。此外,磁场定向控制(FOC)也称为矢量控制变得非常重要,而FOC算法需要MCU具有高性能的数字信号处理能力。
2.          更好的可靠性和更低的噪声
从有刷变成无刷马达肯定能提高可靠性,但也要求更高的马达控制性能。对于有些马达来说,维修成本或者频繁维修是有害的,振动经常是造成故障的主要因素。BLDC马达可以利用正弦控制驱动,最大限度降低噪声和振动,但它同样对马达控制性能有更高的要求。在步进环境下,可以通过使用多相马达来最大限度地减少振动,但这种方案成本较高。因此,许多开发人员现在转向低成本BLDC或永磁同步马达(PMSM)解决方案,并采用正弦传感器或非传感器FOC技术。“例如为了获得较高的扭矩和效率,电动自行车将来可能采用永磁同步马达(PMSM)。”意法半导体大中国区微控制器事业部总监朱利安也指出。
3.          更高的效率
家电制造商和工业马达控制需要消耗大量的能源,这是政府监管的重点。这分成两个方面:更清洁的电力消耗与更有效率的功耗。更清洁的电力消耗是指赋予电力公司的负载是电阻性的,具有较少的消耗能量的谐波和较低的无功部分,因此,电源领域长期采用的功率因数校正(PFC)正在日益用于马达控制应用。实现PFC的最低成本方式是PFC与马达控制使用同一个控制器,但是用于PFC的环频率比用于马达控制的环频率快得多。Microchip的低成本马达控制dsPIC DSC特别适合三相马达控制,可以在一个芯片上同时处理二者。另一个方面,更有效率的功耗则是指开发者正在考虑设计出一种系统,使其总体性能比以前的设计产生更大的每瓦扭矩和转数。这可以通过采用更复杂的马达控制算法和充分发挥马达的固有特性来实现。
朱利安补充道:“直流变频空调噪音较低而且效率较高,正在被市场所接受,直流变频的解决方案正在从120度六步方波转向180度正弦波控制方法。”
以上这些挑战推动了马达控制器MCU市场的一场革命。
马达控制MCU迈向高端
“在目前的电动自行车中,很大一部分采用的是低成本标准MCU。但是越来越多的电动自行车开始采用具有专用马达控制周边器件的标准MCU,以获得更高的效率和灵活性。”朱利安表示,“对于白家电市场,中国政府正在促使制造商开始采用变频技术,以达到更高的效率标准。高性能16位和32位MCU开始用于控制PMSM马达或压缩机,以改善效率和实现无传感器控制。”
为迎接挑战,马达控制领域的MCU都在向高端迈进。“针对新形式下马达控制的挑战,需要性能更高的MCU,用于提供逆变频率控制,以获得良好的扭矩响应。这些MCU需具备实时响应能力,以及针对马达控制优化的外设。”石敬岩表示,“比如,面向白家电,MCU应该提供外设来更有效率地管理110~240V交流电源,因为发展中国家电压不稳,变化范围较大。”
集成FOC和PFC成为新一代MCU的特点,“我们的8位MCU XC878是全球首款同时提供FOC和有源PFC的产品,能使系统成本下降50%。”石敬岩表示。
更进一步,Microchip的Mitra认为DSC才是新一代马达控制所需要的控制器,他称:“MCU非常适合开环马达控制应用,它们也用于闭环传感器应用,也可以用于闭环非传感器应用,如果控制要求不太高的话。这方面的应用例子包括风扇控制、吊窗提手、车库门开门器和厚度控制。但DSC是许多闭环控制和三相马达控制应用的首选产品,此时效率、性能和可靠性是关键因素。”
其实,一些MCU中也集成了数字信号处理能力。比如英飞凌的C166内核拥有DSP(MAC)单元用来加快数字运算速度,并针对实时响应进行了优化。“基于C166的产品出货量已经超过5亿个。最新一代XE166是实时响应信号控制器系列,全球开发工具可以免费使用一年。”石敬岩表示。
同样,Atmel最新推出的AVR XMEGA也集成了32MIPS的处理能力,配合一个创新性的事件系统(Event System)管理功能,能让外设在无需CPU干预的情况下触发行动。例如,它可以侦测出过电流现象,在没有等待时间(最多2个时钟周期)下停止PWM定时器,以避免损坏电机。
“Atmel 32位CAP可定制微控制器则能满足最严苛电机应用的要求,后者可在硬件中解释电机控制的算法,编程加入至金属可编程模块中。在标准微控制器上运行软件实施方法,在响应时间和能耗两方面的效率都是最高的。”Faure表示。
MCU除了作为控制器减小马达能耗外,自身的能耗很重要。因此,采用新一代ARM核的MCU在马达控制市场变得流行起来。