随着工业和家电产品不断向广度和深度发展,电机控制芯片也面临着越来越多的挑战,表现在传统电机应用领域对电机系统的要求越来越高,而新兴电机应用领域又不断对电机系统提出新的要求。

摘要:

电机控制技术的进步是近年来推动电机技术发展的最重要因素。然而,随着工业和家电产品不断向广度和深度发展,电机控制芯片也面临着越来越多的挑战,表现在传统电机应用领域对电机系统的要求越来越高,而新兴电机应用领域又不断对电机系统提出新的要求。传统的单核架构的电机控制芯片越来越难以应对这些挑战,而多核架构的芯片则可以提供有效的解决方案,以经济高效的方式满足电机应用领域越来越苛刻的需求。

背景

电机设计、电机制造、材料、电机控制和传感器技术等多方面技术的进步推动了现代电机的发展,电机的应用范围越来越广,尤其是在医疗设备、汽车电器和移动机器人等新应用领域。电机控制技术的进步是近年来推动电机技术发展的最重要因素,然而,由于电机控制相关的技术壁垒较高,如电机电磁原理、信号处理、数字芯片、模拟芯片和功率半导体等,电机控制芯片的发展面临着诸多技术瓶颈,尤其是在实现专用电机控制芯片方面。

许多传统电机,如不需要调速的感应电机,可以直接使用交流电(AC)驱动,而无需电子控制系统。然而,现代机电系统通常需要对电机的运行调节,这就需要使用电子控制器来控制电机的运行,以达到所需的运行状态,如速度、位置、转向、扭矩和功率。

现代电机控制系统除了需要实现所需的运行状态外,还需要实现许多附加功能,例如能够以低能耗、高效率和低噪音达到所需的调节效果,实现所需的通信模式,以及能够有效保护电机系统。新的要求仍在不断出现。

电机控制系统需要多种有源电子器件,其中包括主控芯片、前置驱动器、功率半导体和传感器。传统的电机控制芯片使用单核MCU处理控制信号,并通过芯片中存储的编码程序实现所需的控制模式,然后根据控制模式的要求输出控制电压或电流,最终实现所需的电机运行状态。

当所需控制功率较大(如10kW或以上)时,控制芯片的尺寸和价格往往不是决定控制系统是否被市场接受的主要因素。然而,对于电机功率较小的应用,情况就不同了。例如,在市场很大的数据中心服务器冷却风扇的应用中,单个电机控制芯片就包含了MCU、前置驱动器和低功耗半导体,也就可以在简单的印刷电路板上实现整个控制系统,见1所示示例。当应用需要几百到一千瓦的功率时,如空调通风扇,可使用包含MCU、前置驱动器和大功率MOSFET的IPM(智能功率模块),见2所示示例。在这两种应用中,控制器的尺寸和成本效益往往决定了产品在市场上的成败。从数量上看,小功率电机控制器的市场要比大功率电机控制器大得多。因此,小功率电机领域是推动电机控制芯片,尤其是专用电机控制芯片发展的主要市场。

图1:一种配备双电机和控制器的服务器用冷却风扇。

图2:一种空调通风机的控制系统。

与使用软件和通用DSP控制电机不同,专用电机控制芯片是专为电机控制应用而开发的。它以固件的形式固化了控制算法,并将所需的高速运算放大器、比较器、LDO和许多其他外设集成到芯片中。因此,使用专用电机控制芯片的系统,尤其是低功耗系统,电子元器件数量更少,控制系统的PCB板也显得更加紧凑和整洁。

目前,机器人正经历着令人瞩目的发展。现代机器人通常有40多个“自由度”(DOF),这意味着“机器人”使用许多低功率电机和执行器系统[1]。另一方面,目前一个汽车通常使用40多个电机[2],其中大部分是低功率电机。在这两种情况下,对电机系统(包括控制芯片)的尺寸和成本效益都有很高的要求!

无传感器控制:电机控制技术的重要发展趋势

许多应用对电机的尺寸和可靠性有着严格的要求。如果在电机中使用磁传感器(如霍尔传感器)来检测转子位置,电机的结构就会变得复杂,这是不利于电机的可靠性和使用寿命的(3)。

“无传感器控制”是利用控制器中“观测器”的算法而非物理位置传感器来计算电机的转子位置,同时根据转子位置和控制模式(如FOC模式)调整电机定子绕组中的电流和电压,以控制电机的状态(4)。这种控制方法无需额外的物理角度传感器,因此可以大大简化电机结构并提高其可靠性。不过,无传感器控制需要高性能的观测器,如滑动薄膜观测器、自适应观测器或基于可扩展卡尔曼滤波算法的观测器。使用这些观测器需要进行大量的计算,对MCU的性能要求很高。电机控制技术和半导体硬件的进步使得电机系统中越来越多地使用无传感器控制。在适用场景中,无传感器控制由于对磁铁的磁化误差不敏感,往往能获得比基于传感器的控制具有更好的控制效果,并能完全避免因安装而导致的传感器位置误差,这种控制模式已成为电机控制技术的重要发展趋势。许多高性能驱动模式,如FOC(磁场定向控制),也可以通过无传感器控制模式来实现。

图3:带霍尔传感器的无刷直流电机控制框图。

图4:采用无传感器控制模式的直流无刷电机控制框图。

在线识别参数和监测运动健康状况:新的挑战

具有高精度和鲁棒性的“观测器”是实现无传感器控制的关键部分。这种“观测器”实际上是一种算法,它利用电机的等效电路参数以及电机运行时的电压、电流和反向电动势等电气量信息来计算转子位置。

图5:直流无刷电机的等效电路。

图6:感应电机的等效电路。

Temperature 30° 50° 70° Icr 50 (100%) Icr 70 (100%)
Ke (V/(arc/s)) 0.174 0.165 0.163 5 6.2962
R (Ω) 1.63 1.88 1.94 15.625 18.75

表1:温度变化对直流无刷电机Ke的影响。

5显示了直流无刷电机的等效电路,它由3个参数组成:电机绕组等效电阻R、等效电感L和反向电动势常数Ke(Ke=E/n)。6显示了感应电机的等效电路,它由7个参数组成:定子等效电阻R1和漏感L1、转子等效电阻R2和漏感L2、励磁效应电阻RFe和电感L以及转子速度滑差s。

这些等效参数很难精确测量。例如,在较简单的无刷直流电机等效电路中,电感L随转子位置而变化。不仅如此,所有这些参数还会随驱动电压、电机速度、电机负载和环境温度的变化而变化。因此,在许多应用中,需要对电机参数进行实时在线识别,以实现高性能的无传感器控制。

除了高性能的无传感器电机控制外,高精度参数识别的在线结果还可用于检测电机健康状况。1显示了电机反向电动势常数Ke和电阻R随温度的变化情况。这些关系可用于建立温度与电机参数之间关系的模型,因此该模型可用于在无传感器模式下实时检测电机内部的温度。这种在线检测对许多应用都很重要,因为无需温度传感器和在电机中安装传感器,就可以降低电机系统的成本和尺寸。同样,参数变化包含有关磁铁性能和绝缘状况的信息,也可用于了解电机的健康状况。

多参数的识别模型在计算上非常困难,尤其是因为它们往往是高度非线性的。参数越多,识别就越困难。在使用无传感器控制时,只能获得电机运行时三相电流和电压的瞬时值,因此在线参数识别变得非常困难。识别过程的计算量很大,对MCU的性能要求很高。

随着工业和家用产品的快速发展,电机控制芯片面临着要处理的任务越来越多的情况。如果仍采用传统单核架构的电机控制芯片来应对这一挑战,就必须采用先进的芯片工艺来实现具有高密度单元的MCU,使芯片能够高速处理电机控制模式,并执行参数识别等任务的计算。然而,这种处理方式会使芯片的价格过高而难以被市场接受。

双核架构的电机控制芯片

单核架构的电机控制芯片只能在串行处理模式下执行多任务计算,越来越难以适应现代产品的挑战。因此,峰岹科技(Fortior Technology)等公司开发了双核架构的电机控制芯片。7显示了其具有双核架构的无刷直流电机控制芯片的结构。该芯片由一个专用内核——电机引擎(ME)和一个通用内核——通用处理器(GPP)组成。ME专注于观测器和电机控制模式的算法,而GPP则用于处理通信、保护和闭环控制等通用任务[3]

芯片运行时,两个内核相互通信,进行任务分配和协调。通过这种方式,许多操作可以并行处理,多任务的处理速度也就大大加快。因此,双核架构可以实现高性能电机控制芯片,而无需先进的芯片工艺。例如,在考察控制芯片的重要指标——单步FOC计算时间tFS时,峰岹科技的双核芯片实现了4.5ms的tFS,比许多采用单核架构的高性能电机控制芯片快得多。

双核架构还使芯片避免了专用芯片缺乏灵活性的问题,大大加宽了专用电机控制芯片的应用范围。

图7:峰岹科技采用双核架构的电机控制芯片。

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三核架构电机控制芯

虽然现代电子技术对电机控制的要求越来越严格,双核架构的电机专用控制芯片在很多应用中都是能胜任的,包括实现简单的电机参数识别。但如果需要控制电磁结构更为复杂的电机,并实现更为精确的参数识别,双核架构就很难满足控制要求。因此,三核架构自然成为了电机控制芯片的新解决方案。

图8:一种采用三核架构的无传感器电机控制芯片。

8所示的三核结构集成电路芯片中,除了ME核和GPP核外,还增加了用于参数识别的PIP核(参数识别处理器),三个核之间相互通信,以进行任务分配和协调。PIP将识别的参数发送给ME的观察器以确定转子位置,并发送给GPP以分析电机健康状况,ME和GPP则根据PIP所分析的结果分配任务并调整对电机的控制状态,从而使PIP能够在给定条件下识别电机参数。反过来,PIP根据ME和GPP的指令执行所需的识别任务。这种三核架构允许在不影响其他任务的情况下执行高精度和复杂的参数识别,使电机系统能够满足高性能控制和健康监测的要求。因此,具有3核架构的电机控制芯片能够有效地应付现代电子产品对电机控制越来越复杂和苛刻的要求,并且具有高性能价格比。

结论

传统的电机应用领域,如家用电器和工业应用,正在迅速发展;新的应用领域,如车载电器和人工智能,也在不断涌现。这些都对电机系统提出了越来越复杂和严苛的要求。基于传统单核架构的电机控制芯片已难以应对新出现的严格挑战,多核架构控制芯片也就应运而生。双核架构芯片已在多个领域得到成功的应用,并显示出其独特的优势,它可以利用无传感器技术实现高性能的电机控制模式,并能完成复杂的多任务处理。双核架构的电机控制芯片也在性价比上具有很强的优势。当对电机控制芯片提出更高的要求时,例如需要识别电机参数并以无传感器模式监控电机的健康状况时,三核架构自然成为高性价比电机控制芯片的首选。随着电机控制任务变得越来越复杂,多核架构将成为电机控制芯片技术的重要发展趋势。

https://www.fortiortech.com/global/download/video/5

参考文献

1.https://zhuanlan.zhihu.com/p/550198043

2.https://www.osvehicle.com/how-many-electric-motors-are-in-a-car/

3.https://www.fortiortech.com/global/

(原文刊登于EE Times美国版,参考链接:High-Performance Motor Control Chip with Multi-Core Architecture

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