作者：Bilal Akin, Chris Clearman

? ? ? ?對在您的下一個應用中使用哪種類型的電機感到困惑？本文解釋了每種電機的優缺點，如何控制它們，以及它們在哪些應用中最有意義。

　　隨著微控制器 （MCU） 的革命，電機控制已遠遠超出使用簡單換向控制的普通通用電機。今天，有各種各樣的低成本 MCU 可供使用，使開發人員能夠以具有成本效益的方式創建高性能系統。具體來說，通過使用更復雜的控制算法，系統可以提供更好的加速度、更準確的速度/位置控制、更高的扭矩、更好的功率效率和更高的精度，同時通過將功能集成到硬件和軟件中來顯著降低系統成本。

　　考慮到不同的電機類型和不同的控制技術，從眾多可用選項中進行選擇可能會令人困惑。為了在管理成本的同時最大限度地提高性能和效率，開發人員需要有廣泛的控制器選擇，以便為他們的應用程序選擇最佳架構，但這也意味著開發人員需要輕松了解每種配置的優缺點。

　　TI 通過提供 TMS320C2000? MCU 平臺為開發人員簡化了這一過程，該平臺提供了最廣泛的器件之一，涵蓋幾乎所有價位并支持幾乎所有類型的電機和控制技術。使用 C2000 MCU，開發人員可以以具有成本效益的方式實現更高的效率和更高的性能。此外，由于這些 MCU 在整個平臺上代碼兼容，因此開發人員可以利用長期代碼投資和跨電機控制設計的重用來實現顯著的成本節約和應用穩定性。

　　高性能電機

　　通用、有刷直流和步進電機由于成本低且控制簡單而構成了大多數電機應用。然而，對于各種各樣的應用，通過更復雜的控制機制提高性能和效率會帶來足夠的價值來證明任何增加的設計和組件成本是合理的。例如，開發需要精確變速速度或位置控制、更高功率效率和更長電機壽命的應用的設計人員將需要考慮更復雜、更智能的電機控制類型，包括三相交流感應 （ACI）、無刷直流（BLDC） 和永磁同步電機 （PMSM）。

　　ACI 是最堅固的電機類型之一，非常適合各種高性能應用，包括白色家電、泵、風扇和壓縮機（用于冰箱和 HVAC 系統）。在 ACI 電機中，內部定子的磁通量通過改變電流來控制，這反過來又會感應出轉子磁通量（ACI 電機不包含磁鐵）。

　　轉矩由轉子和定子磁通之間的角度決定。ACI 是一種異步電機，因為內部轉子和定子磁場矢量以不同的速度旋轉。ACI 提供出色的速度和扭矩控制，其主要優勢是在高速運行時成本低、效率高。ACI 的主要缺點是需要復雜的反饋和控制機制來保持高效率，特別是在變速和低速時。

　　相比之下，BLDC 和 PMSM 是同步電機。定子磁通通過改變電流來控制，但轉子磁通由永磁體或電流饋電線圈保持恒定。轉子和定子磁通之間的角度仍然決定了產生的扭矩量，??并且轉子旋轉的頻率與定子磁場相同。對于同步電機，應測量或估計轉子位置，以實現同步和高性能控制。因此，同步電機可用于高精度控制位置。

　　圖 1：使用更多狀態來控制位置可提高定位精度和算法復雜度。

　　BLDC 和 PMSM 用于控制位置的狀態數量不同。例如，與正弦 PMSM 的“連續”狀態相比，梯形 BLDC 電機有六個狀態（參見圖 1）。支持的狀態越多，可以控制的位置就越精確。然而，更多的狀態也需要更復雜的控制機制和處理。

　　BLDC 提供高效、可靠的運行、中高扭矩，可用于可燃環境中的自動化、牽引、精密和白色家電等應用。這些類型的電機的一個關鍵優勢是它們沒有電刷，消除了磨損、維護和 EMI 的主要來源。此外，它們使用磁鐵，從而使它們具有更高的功率密度和更高的效率。

　　技術進步繼續將 BLDC 技術帶入更廣泛的低成本應用，這些應用傳統上由標準直流有刷電機提供服務，使其成為增長最快的電機類型之一。雖然 BLDC 比標準直流有刷電機相對昂貴，但 BLDC 在低磨損和維護在總體總擁有成本中起主要作用的應用中具有吸引力。BLDC 還在需要低速或變速運行的應用中取代 ACI，例如 HVAC 系統中的鼓風機電機，可以調整其速度以更高效地運行。

　　除了在變速下提供比 ACI 更好的性能外，BLDC 電機在同等成本下體積更小、效率更高。通過換向驅動 BLDC 電機相當簡單，從而節省了電機設計、電子控制和更輕的整體重量。由于磁體中的固有磁通，驅動電機所需的電流更少，從而提高了 BLDC 電機的效率。

　　雖然 BLDC 電機歷來用于許多位置控制應用，但 PMSM 用于需要精確位置控制、超高速和/或高扭矩的應用。常見應用包括牽引力控制、精密自動化（機器人）和混合動力/電動汽車。PMSM 提供更高的效率和扭矩，在換向時具有最小的扭矩波動，提供更高的最大可實現速度，與低成本的分布式繞組一起工作，并且噪音低。由于 PMSM 基于連續正弦控制，因此在運行期間觀察到的噪音較小，從而能夠更快地對負載變化做出反應，并準確地達到所需的扭矩、速度和位置。

　　控制方法

　　對于 ACI 電機，簡單的標量控制（也稱為 V/f 或 Volts per Hertz）很受歡迎，因為與簡單控制技術相關的電子成本較低。標量控制通過簡單地增加或減少用于驅動電機的正弦波的頻率來調整電機速度，而不考慮電流或轉矩優化的控制。標量控制往往具有較差的動態性能，電機對變化的反應緩慢以及超過設定點。此外，扭矩傳遞在低速和高速時效率低下。此外，在低速時，內部損耗會導致大部分能量被浪費。如果采用更復雜的控制方法，在性能和效率方面還有很大的改進空間。

　　磁場定向控制 （FOC），也稱為矢量控制，可用于 ACI 和 PMSM 電機，并在整個扭矩和速度范圍內提供最佳控制（見表 1）。這允許在任何速度下實現最大扭矩，從而比標量控制具有更高的效率。啟動扭矩也增加了，同時扭矩波動最小化。FOC 對設定點或負載變化的響應更快，滿載時的最低速度基本為零，從而在電機的整個速度范圍內實現良好的性能。因為 FOC 是電流控制的，所以可以優化功率逆變器電路。所有這些因素都降低了成本，使開發人員能夠根據手頭的任務調整電機尺寸。權衡是實施 FOC 更加復雜，

　　表 1：FOC 提供對整個扭矩和速度范圍的完全控制，同時更快地響應設定點的變化或負載變化。

　　有幾種常見的方法可以創建用于測量角度和速度的反饋回路。通常，這些測量可以使用傳感器進行或無傳感器進行。傳感器增加了系統的成本和組件，但在高精度系統中通常是必需的?；蛘?，無傳感器實現需要軟件和處理資源來對電機進行建模，同時使用實時電流和電壓測量來估計角度和速度。一旦測量或估計了角度和速度，就可以調節反饋回路以控制速度、位置/角度、電流、磁通和扭矩。

　　使用 ACI 電機時，開發人員可以使用轉速計進行直接測量，該轉速計產生與速度成正比的方波輸出。對于 PMSM 電機，開發人員可以使用編碼器或旋轉變壓器來跟蹤位置并通過測量位置隨時間的變化來計算速度。兩者的無傳感器方法使用直流母線電壓和兩個三相電流通過數學變換和計算來確定相角，并通過使用滑動模式、MRAS 等狀態觀察器對特定 ACI 和 PMSM 電機進行建模來估計速度和磁通量， 等等。

　　對于 BLDC，開發人員可以選擇梯形和正弦控制方法。由于成本更低、控制器更簡單，梯形控制傳統上是更常用的方法。然而，正弦控制提供更平穩的操作，具有更好的扭矩響應和更低的電噪聲。降低電氣噪聲很重要，因為電磁干擾 （EMI） 會影響電機電路和輸入系統的不穩定性，從而顯著降低性能并增加侵入性可聽噪聲。

　　梯形控制在換向時也有轉矩脈動，在高速時更難控制，并且不適用于分布式繞組。沿 C2000? 平臺的持續集成和降價縮小了使用更高性能 MCU 的成本壁壘，使得在 OEM 需要通過更精確的控制和/或更好的效率來實現差異化的應用中實施正弦控制成為可能。

　　無論是梯形控制還是正弦控制，都需要一個反饋回路來控制位置、速度以及出于轉矩原因的電流。速度和位置既可以用傳感器測量，也可以通過監測三相的反電動勢電壓來計算狀態或轉數（位置）的順序，然后速度就是位置隨時間變化的速率。 雖然有許多不同的方法來測量電流，但出于成本和可靠性的原因，最流行的方法是使用單個直流分流器。

　　C2000 MCU 滿足各種電機控制設計要求

　　TI 的策略是提供 C2000 MCU 作為通用平臺，以通過各種控制技術控制所有電機類型。C2000 提供從低于 2 美元到 300 MHz 浮點 Delfino? 系列的 Piccolo? 系列，適用于各種電機應用。此外，通過提供通用硬件和開發平臺，開發人員可以無限制地擴展設計，實現從簡單電機應用到高端、高精度應用的軟件重用。

　　C2000 器件在 MCU 架構內提供 DSP 功能，提供 40 至 300 MHz 的性能，輔以一系列基于硬件的功能來加速代碼執行，包括內置 DSP 功能、單周期 32x32 位 MAC 和 8-級保護流水線以實現最高時鐘速度?？蛇x的 CPU 功能包括用于提高精度的浮點單元或用于并行處理和卸載整個閉環 FOC 系統的控制律加速器。盡管經過優化以快速執行基于數學的 32 位運算，但 C2000 架構還可以高效處理通用代碼，使單個 C2000 MCU 能夠管理整個電機控制系統。

　　C2000 MCU 針對實時控制應用進行了微調，提供靈活的中斷系統，具有快速響應和內置于芯片中的非侵入式實時調試功能。電機控制系統特有的挑戰之一是它們必須在運行時進行調試。在斷點處停止 MCU 會導致 MCU 也中斷反饋回路并停止驅動電機。雖然開發人員可以實現調試監視器以與主要電機控制應用程序并行執行，但通常此類代碼在產品發貨時會被刪除。因此，開發人員無法在現場調試系統。

　　C2000 MCU 通過集成實時數據交換 （RTDX?） 電路簡化實時調試，使開發人員可以直接訪問內部 MCU 資源。具體來說，開發人員可以暫停非關鍵代碼并訪問內存和寄存器，同時繼續處理實時中斷。由于 RTDX 在硅片中實現，因此不需要 CPU 周期，從而提供對系統的完全非侵入式可見性。此外，RTDX 功能始終可用，允許對客戶退貨或仍在現場的系統進行調試。

　　C2000 平臺還為開發人員提供全面的控制型外設選擇，包括一流的 ADC 性能和精度、具有靈活可配置性的多個高分辨率 PWM、集成傳感器接口以及所有重要的工業接口，包括 CAN 、LIN、SPI、I2C 和 UART。這些將在本文后面更詳細地討論。

　　C2000 Piccolo MCU 系列

　　C2000 Piccolo MCU 系列為成本敏感型應用帶來實時控制。Piccolo MCU 在 C2000 平臺上與代碼兼容，并提供針對控制應用優化的智能外設，具有更高的片上模擬集成度，包括：

　　混合 ADC 允許靈活啟動轉換和高達 5 MSPS 的連續采樣。

　　具有高達 150 ps 的頻率和占空比調制的高分辨率 PWM。

　　具有 POR/BOR 的片上電壓監控器消除了外部監控器，并具有消除所有 PWM 引腳上的啟動毛刺的內置功能。

　　IEC-60730 的三層時鐘保護。

　　兩個內部和可選的外部振蕩器。

　　兩個看門狗和時鐘故障檢測電路自動切換到備用 OSC。

　　如果兩個內部故障設備自動進入跛行模式并正常關機。

　　GPIO 包括內部數字濾波器，可降低噪聲并節省外部系統成本。

　　C2000 Delfino MCU 系列

　　C2000 Delfino MCU 系列為實時控制應用帶來浮點處理。Delfino MCU 在 C2000 平臺上代碼兼容，并提供針對具有最高性能處理引擎的控制應用進行優化的智能外設：

　　32 位單精度浮點，吞吐量為 200 到 600 MFLOPS。

• 　　通過 IQMath 與定點設備的單一代碼兼容源。
• 　　可選的片上雙采樣和保持 12 位 ADC，速度高達 12.5 MSPS。
• 　　具有高達 55 ps 的頻率和占空比調制的高分辨率 PWM。
• 　　片上可重新編程閃存或高達半兆字節的片上 RAM。
• 　　多達 24 個 PWM 輸出、88 個 GPIO，采用多達 256 針封裝。
• 　　DMA、外部存儲器接口、雙 CAN 和多個串行接口。

　　通過 controlSUITE? DMC 系統簡化設計

　　用于 C2000 MCU 的 controlSUITE 是一個內聚的軟件套件，旨在最大限度地縮短開發時間。它包括用于構建技術示例和系統框架的設備驅動程序、API、實用程序和庫，這些示例和系統框架使用 TI 的專業調試工具在開源硬件上進行演示。controlSUITE 的一個關鍵組件是數字電機控制 （DMC） 庫和生成的系統示例。

　　DMC 庫由表示為塊的函數組成。這些模塊分為變換和估計器（Clarke、Park、滑動模式觀察器、相電壓計算和旋轉變壓器、通量和速度計算器和估計器）、控制（信號生成、PID、BEMF 換向、空間矢量生成）和外設驅動器（用于多種拓撲和技術的 PWM 抽象、ADC 驅動器和電機傳感器接口）。每個塊都是具有可變輸入和輸出的模塊化軟件宏，并與源代碼、使用和技術理論單獨記錄。

　　TI 隨后使用 DMC 庫構建了完整的系統示例。在初始化時，定義了所有 DMC 庫變量，并將一個模塊的輸出設置為下一個模塊的輸入。在運行時按順序調用宏函數。每個系統都是使用我們的增量構建方法構建的，該方法允許構建增量代碼部分，以便開發人員可以一次驗證其應用程序的每個部分。這對于具有許多可能影響系統的不同變量以及跨電機參數的許多獨特挑戰的實時控制應用來說至關重要。

　　例如（參見圖 2），在無傳感器 PMSM FOC 系統中，軟件中內置了以下增量構建。圖 2 顯示了雙無傳感器 FOC PMSM 系統增量構建的第一步。此時，開發人員可以驗證與目標無關的模塊、占空比和 PWM 更新。電機在此級別斷開，以防止在驗證 PWM 之前意外燒毀電機。構建級別 1：使用虛擬信號，驗證 Inverse Park、Space Vector 和 PWM 驅動器是否產生正確的波形。第 2 級：驗證 ADC 轉換、相電壓計算、克拉克和帕克變換。級別 3：閉環 PID 電流控制驗證。第 4 級：滑動模式觀察者和速度估計器驗證。等級 5：閉環 PID 速度控制。

　　圖 2：構建級別 1：使用虛擬信號驗證波形；構建級別 5：閉環 PID 速度控制。

　　系統在可用的硬件平臺上進行驗證。DMC 硬件平臺均使用由模塊化 controlCARD 控制的基礎功率級構建。controlCARD 是一種基于 DIMM 占用空間的標準化卡，允許您將不同版本的 C2000 設備插入不同的主板。最新的 DMC 硬件平臺包括支持 FOC （PMSM） 和正弦 （BLDC） 的低壓 （36 V） 雙軸數字功率因數校正以及高壓 （350 V） 單軸數字電源支持 FOC（ACI、PMSM）和正弦或梯形（BLDC）的因子校正。所有系統都包括用于調試的電氣隔離 JTAG，并附帶啟動 GUI、Code Composer Studio? 集成開發環境的免費副本、完整的工作增量構建軟件、分步用戶指南、記錄控制理論、屏幕截圖、硬件連接和調試技巧。所有硬件都是開源的，可供開發人員插入到他們的設計中，包括 Gerber 文件、原理圖和 BOM。TI 還通過其強大的 IQMath 庫簡化了復雜的算法設計，該庫允許您通過選擇二進制表示數字的哪些位是整數 （I） 以及哪些位是商 （Q） 來選擇數值范圍和分辨率。使用定點 MCU 時，開發人員負責管理小數點。有時，可能需要移動小數點以調整范圍。例如，如果范圍太小，數字可能會飽和（即，10 可能看起來與 10，000 相同）。同樣，如果范圍太大，分辨率的步長也會太大，精度會下降。通過抽象小數點的管理并允許使用浮點約定編寫代碼，開發人員可以隨時更改比例和分辨率，從而使編寫復雜的算法代碼變得更加容易，因為庫負責其余的工作。通過簡化將代碼從一個系統/MCU 移動到另一個系統/MCU 的遷移過程，即使從定點 MCU 遷移到浮點 MCU，這也有助于代碼重用以及“上下代碼移動性”。開發人員還可以調整（遷移后重新調整）系統以獲得最佳分辨率和動態范圍，消除飽和和量化效應。此外，大多數 DMC 庫模塊都是基于 IQMath 的，允許每個模塊針對特定應用進行調整。開發人員可以隨時更改比例和分辨率，從而使編寫復雜的算法代碼變得更加容易，因為庫負責其余的工作。通過簡化將代碼從一個系統/MCU 移動到另一個系統/MCU 的遷移過程，即使從定點 MCU 遷移到浮點 MCU，這也有助于代碼重用以及“上下代碼移動性”。開發人員還可以調整（遷移后重新調整）系統以獲得最佳分辨率和動態范圍，消除飽和和量化效應。此外，大多數 DMC 庫模塊都是基于 IQMath 的，允許每個模塊針對特定應用進行調整。開發人員可以隨時更改比例和分辨率，從而使編寫復雜的算法代碼變得更加容易，因為庫負責其余的工作。通過簡化將代碼從一個系統/MCU 移動到另一個系統/MCU 的遷移過程，即使從定點 MCU 移動到浮點 MCU，這也有助于代碼重用以及“上下代碼移動性”。開發人員還可以調整（遷移后重新調整）系統以獲得最佳分辨率和動態范圍，消除飽和和量化效應。此外，大多數 DMC 庫模塊都是基于 IQMath 的，允許每個模塊針對特定應用進行調整。

　　TI 還與其第三方廣泛合作，以允許開發人員進一步抽象其電機控制設計。借助 MathWorks 的 Embedded Target 和 Visual Solutions 的 VisSim 等仿真、圖形開發和代碼生成工具，開發人員可以更直觀地創建電機控制系統，然后讓該工具在 C2000 DMC 上生成、下載和運行代碼硬件套件。

　　高級功能的擴展處理能力

　　要實現更復雜的算法以提高電機控制應用的效率和性能，MCU 需要能夠執行復雜的數學運算。通過加速數學計算，C2000 器件不僅可以實現更精確的電機控制，還可以快速執行這些計算，從而為其他功能留下大量處理空間。開發人員可以通過多種方式利用這一增加的空間，從而加快上市時間并降低系統成本。例如，不必創建幾乎沒有可重用性的流線型系統，余量允許開發人員通過采用模塊化方法來簡化設計，該方法允許將代碼轉移到其他電機控制應用程序中。

　　凈空還使開發人員能夠引入功率因數校正 （PFC） 等高級功能。PFC 提高了電源效率并防止了因諧波電流引起的失真而導致的損失。PFC 已在許多地區強制使用，并已成為大多數電源設計的組成部分。它通常使用專用的 PFC 芯片或輔助 MCU 來實現，但使用 C2000 平臺，PFC 可以直接集成到主 MCU 上，從而節省電路板空間和成本。廣泛的 C2000 器件使開發人員能夠選擇具有最佳容量的 MCU，以在單個芯片上實施具有 PFC 和運動分析的整個運動控制系統。

　　增強的外設集成以簡化設計并降低系統成本

　　C2000 外設的廣泛組合將關鍵功能集成到系統中，通過消除對外部組件的需求，顯著節省成本并減小電路板尺寸。這些外設中的許多還提高了系統精度和性能，同時減輕了主 CPU 的負載，從而可以騰出時間來執行更高級的電機控制處理。一些更重要的 C2000 外設包括：

　　高分辨率和同步 ADC：在實施高性能電機控制技術時，最關鍵的考慮因素之一是系統準確讀取電機電流的能力。無傳感器系統的精度直接取決于精確的電流測量，甚至基于傳感器的系統也可能需要測量電流來控制扭矩。

　　準確的電流測量不僅需要準確的讀數（即分辨率），而且讀數是在特定時間完成的。高級控制技術通常有一個短窗口，必須在其中獲取反饋樣本。因此，精確時序有兩個部分：ADC 必須與 PWM 事件緊密同步，并且必須快速采集樣本。采樣延遲可能來自上下文切換以及 ADC 延遲和中斷延遲。為了提供可能的最佳精度，C2000 器件提供了一系列高分辨率 ADC 以滿足應用要求。此外，TI 的 Piccolo 系列支持即時（早期）中斷，以將可用的 ADC 結果與 CPU 獲取同步，從而進一步提高系統精度。所有 C2000 器件都包括一個 12 位、雙采樣和保持、高速架構（最多 12 個。

　　功能豐富、基于硬件的 PWM：鑒于脈沖寬度調制器 （PWM） 在電機控制應用中發揮的重要作用，TI 設計了基于硬件的 PWM 模塊，該模塊具有針對性能和效率進行了優化的各種增強功能。C2000 器件具有 4 到 9 個 PWM 模塊，每個模塊具有兩個 PWM 輸出，使開發人員能夠支持廣泛的開關拓撲。每個模塊都有自己的 16 位影子定時器，可以獨立運行、同步運行或相位延遲，以實現最大的靈活性。定時器可以在向上、向下或向上向下模式下運行到編程的周期。通過在事件（零、周期和兩個/四個可編程比較值）處采取行動（PWM 高、低、切換、無）來生成波形。這提供了完整的波形生成靈活性。

　　與功率級切換同步是電機控制設計中的一個重要特性，尤其是希望在 PWM 不切換期間對電流進行采樣，以便您可以從系統中獲得準確的讀數并避免系統噪聲。來自 PWM 時基的每個事件都可用作 CPU 中斷或向 ADC 發送轉換開始信號，從而實現事件同步的最大靈活性。

　　所有 C2000 MCU 均提供獨特的故障管理系統，使用專用的跳閘區引腳。每個 Trip Zone 引腳都可以映射到一組可編程的操作，這些操作在發生故障時采取。操作可以包括設置 PWM 輸出、中斷 CPU、啟動 ADC 轉換或同步 PWM 模塊。跳閘可以是同步的或異步的，可以因偏移或窗口而被阻止，以連續或單次模式運行，并自動記錄故障時的計時器值。最重要的特點是，即使 MCU 時鐘丟失并且存在嚴重的系統問題，Trip Zone 邏輯也會繼續工作。這有助于保護昂貴的功率級電路。

　　CAP/QEP 接口：對于基于傳感器的電機控制系統，集成 CAP 和 QEP 傳感器接口既可以簡化設計，又可以降低成本。集成到 C2000 MCU 中的傳感器接口可跨不同類型的傳感器工作，內置 32 位硬件，用于以連續或單次模式捕獲絕對時間或增量時間。這允許接口在后臺運行，而無需 CPU 的持續管理。

　　增強型控制器局域網 （eCAN）： CAN 用于在電噪聲環境中控制器之間的串行通信。C2000 MCU 上的 eCAN 接口提供高效的分布式實時控制，數據速率高達 1 Mbps、32 個完全可配置的郵箱、32 位時間戳和用于低功耗操作的可編程喚醒。