利用先进的电机控制产品实现节能
发布时间：2010-7-1 10:51
发布者：李宽
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作者：Josef Limmer 英飞凌科技股份公司微控制器产品营销经理 在工业化国家，电机的耗电量占电能消耗总量的一半以上，分别占工业电能消耗量的三分之二和居民电能消耗量的大约四分之一。因此，提高电机的效率可以节省大量能源，并大幅降低运行成本。正因如此，在电机驱动设计中，应将能源效率作为主要考虑因素，而不是像通常那样只关心“电机的价格是多少”。 新一代微控制器可以提高无刷直流电机(BLDC)、永磁同步交流电机(PMSM)和交流感应电机控制的能源效率，对全面降低能耗做出重要贡献。 电机的拥有成本主要是用电成本。在其整个寿命周期内，用电成本在电机总成本中所占比例超过90%，初始购置成本和维护成本仅占10%。据美国能源部(DOE)提供的数据，如果电机每年运行的时间超过4,000小时，那么采用能效提高4~6%的电机，两年中节省的电能，就可以收回因采用高效电机而增加的成本。例如，常规200W BLDC电机的价格大约为100欧元，大约比能效较低的同等规格的有刷电机高出30%。即使不可能更换现有电机，或者更换现有电机需要极大的投资，优化驱动控制器和/或算法也能起到提高能效的作用。 在常规工厂中，电机消耗的电能大约占电能消耗总量的三分之二。为了提高电机的效率，降低运行成本，需要对特定因素进行考虑。主要因素包括：选择高效电机;选择功率合适的电机;选择适当的电机技术;使用适当的控制算法。 在电机负载低于其额定负载的40%时，效率会大幅下降。因此，选择功率合适的电机，对降低运行成本非常重要。选择电机功率的依据是，使电机的负载系数保持在65%至100%之间。通常的做法是选择额定功率大于实际所需功率的电机，结果导致了电机运行的低效率。 在购置成本、控制设计、运行成本和能效等方面，有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机或交流感应电机等不同电机技术各有优势。应用中采用的电机控制方式(图1)对能效具有重大影响。步进电机和有刷直流电机的购置成本低，控制电路简单，因此被广泛应用于低功率应用中。但是步进电机和有刷直流电机的能效较低，因此运行成本较高。利用BLDC、PMSM和交流感应电机，并采用在优化微控制器上运行的强大的电机控制算法，可以构建能效最高的解决方案。对于各种无刷电机，存在很多可供使用的电机控制系统算法—包括梯形波控制、正弦波控制和磁场定向控制(FOC)等。 
块交换控制 梯形控制或块交换也被称为六步控制(图1a)，是最简单、能效也最低的控制方法。在六步换向的每一步中，电机驱动电路均在两个绕组间提供电流通路，而断开电机的第三相。这种方法会产生扭矩脉动，使电机产生振动、噪声和机械磨损，降低电机的伺服性能，从而限制了电机的性能。无刷电机控制需要知道转子的位置，并提供电机换向机制。一般采用霍尔效应传感器来感应转子的绝对位置，而这会需要较多的接线，成本也较高。无传感器BLDC控制不需要霍尔传感器，而采用电机的反电动势来估算转子的位置。对于低成本变速应用(如风扇和泵类)而言，无传感器控制是一种重要的控制方法。在采用BLDC电机时，冰箱和空调压缩机也需要采用无传感器控制。 简易正弦波控制 简易正弦波控制是正弦波控制方法的一种，这种方法可以消除了块交换(图1b)中存在的一些问题。控制器以平滑变化的电流驱动电机的三个绕组，消除了扭矩波动问题，使电机平滑地转动。但是，正弦波换向的根本弱点在于，它试图利用基本的比例积分(PI)控制算法来控制随时间变化的电机电流，而没有考虑不同相位之间的相互影响。结果，在电机高速运转时，不同相位之间的相互影响会造成电机性能的下降。 磁场定向控制(FOC) 在电机低速运转情况下，简易正弦波换向可以使电机平滑地转动;但在高速情况下，效率不高。块交换在电机高速运转时效率较高，但在低速时会造成扭矩波动。正因如此，FOC应运而生。FOC在低速和高速两种情况下都能达到最佳控制效果(图1c)。利用FOC控制，可以将电机的效率提高到95%，并降低功耗和噪声，提供优异的扭矩动态性能，从而使逆变器的效率更高，所需的功率级更小，提供相同扭矩所需的电机尺寸更小。 FOC算法消除了时间和速度之间的相互依赖，支持对磁通和扭矩分别单独实施直接控制，其实现方法是利用被称为Clarke和Park变换的数学公式，以数学方法将电机的电气状态转换到不随时间变化的二维旋转坐标系中。FOC既可用于交流感应电机和无刷直流电机控制，提高它们的效率和性能，也可以用于对现有电机的控制系统进行升级，实现对现有电机的控制。 各种节能的电机控制方法 为了实施各种创新的电机控制概念，需要采用优化的微控制器架构以及易于使用的工具。英飞凌不仅提供功能强大的8位、16位和32位微控制器(图 2)，而且还提供包含相关工具链的完整解决方案。此外，英飞凌还提供种类众多的应用套件组合，方便高效电机控制硬件和软件解决方案的评估和实施。根据不同应用需要，英飞凌可提供门类齐全的8位、16位和32位MCU，运算速度最高可达400 MIPS。 
XC800 MCU采用流行的8051 CPU，配有4KB至64 KB闪存、10位高速ADC、PWM单元和20至64引脚封装，提供各种可扩展的解决方案。此外，XC886、XC878和XC888系列产品还配有16 位矢量计算机，支持FOC。对于8位MCU而言，这在业内尚属首例。利用矢量计算机，只需利用大约一半的CPU容量就可以执行FOC，这在业内也是独一无二的。XC800 MCU是实现成本优化的高能效低端驱动(如风扇、泵类、电器和空调等)的理想产品。 XE166系列实时信号控制器(RTSC)以增强型C166S V2内核为基础。最高达100 MIPS 的CPU处理性能、支持DSP功能的MAC单元、增强的IO功能、灵活的功率管理和新型外设(如通用串行接口(USIC))，使XE166器件成为各种苛刻的工业应用(如电机控制、电源、运输和通讯)的不二之选。XE166系列拥有各种特性，如支持标准FOC、双电机控制、动态负载响应和零速控制，非常适合逆变器、伺服驱动、自动扶梯和铲车等应用。 在高端应用方面，32位器件TC1167和TC1197专为要求最严苛的工业驱动应用而设计，具有最高的运动控制性能，适合多轴系统等应用。 应用套件：可扩展电机控制解决方案 英飞凌提供的应用套件和工具链，可支持各种新型电机控制技术在微控制器上的快速实现。我们还可提供全套电机驱动应用参考系统，支持从块交换控制直至FOC的各种算法(图3)。 
所有应用套件均包括一个免费工具链(编译器、实时调试环境等)和所有相关硬件和软件，可以即插即用。我们提供配有微控制器、功率半导体和无源组件的完整解决方案，以及包括硬件设计实例的配套综合文档。应用套件的电压范围介于12V和230V，可驱动电流范围介于200mA至20A的电机，如步进电机、BLDC和PMSM等。 这些套件可以与DAvE Drive(图4)一起使用，后者是一种用于电机驱动的独特的自动代码生成器。DAvE Drive是一种面向英飞凌8位MCU系列的应用代码生成器—支持XE166的版本正在开发之中，可帮助开发人员快速、轻松地实现对复杂控制算法(如 FOC)的配置，缩短电机驱动软件的开发时间。电机控制设计人员可以将精力迅速集中在应用软件的开发上，如驱动功能的编程。DAvE Drive软件配置工具套件可生成对应算法的源代码，并包含功能说明，而不需要从预先编辑的软件库中获取代码。它还可以根据客户选择的电机，快速生成代码。电机类别既可以从数据库中选择，也可以通过设置关键参数(如额定电压、相感应或电阻)来自行定义。利用DAvE Drive，可以根据速度和电流控制参数轻松地进行调整。 
结论 对更高能效电机驱动的需求，推动了对相关微控制器的需求的持续上升。英飞凌的XC800、XE166和TC11xx系列MCU为各种不同电机控制方法提供了可扩展的解决方案，从驱动BLDC电机的霍尔传感器或无传感器块交换控制、驱动BLDC电机或PMSM的FOC、驱动交流感应电机的V/f控制直至用于高端电机驱动的FOC和PFC。完整的工具链和专用的应用套件，为基于这些优化微控制器的高能效电机控制设计铺平了道路，缩短了产品的开发周期。 |
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