多核架構(gòu)高性能電機(jī)控制芯片

電機(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)制造、材料、電機(jī)控制和傳感器技術(shù)等各種技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了現(xiàn)代電機(jī)的發(fā)展。因此，電機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，特別是在醫(yī)療設(shè)備、汽車電器和移動(dòng)機(jī)器人等新應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)，電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步一直是推動(dòng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展的最重要因素，但由于電機(jī)控制相關(guān)的高技術(shù)壁壘，如電機(jī)的電磁原理、信號(hào)處理、數(shù)字芯片、模擬芯片和功率半導(dǎo)體等，電機(jī)控制芯片的發(fā)展面臨諸多技術(shù)瓶頸， 特別是在實(shí)現(xiàn)專用電機(jī)控制芯片方面。

許多傳統(tǒng)電機(jī)，例如不需要調(diào)速的感應(yīng)電機(jī)，可以使用交流電 （AC） 直接驅(qū)動(dòng)，而無(wú)需電子控制系統(tǒng)。然而，現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)往往需要調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行，電子控制器已成為電機(jī)系統(tǒng)中關(guān)鍵且不可或缺的一部分，使電機(jī)能夠達(dá)到所需的運(yùn)行條件，如速度、位置、轉(zhuǎn)向、扭矩和功率。

現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)除了需要實(shí)現(xiàn)所需的工作狀態(tài)外，還需要實(shí)現(xiàn)許多附加功能，例如能夠以低能耗、高效率和低噪音實(shí)現(xiàn)所需的調(diào)節(jié)效果，所需的通信模式以及有效保護(hù)電機(jī)系統(tǒng)的能力。新的要求仍在不斷涌現(xiàn)。

電機(jī)控制系統(tǒng)需要各種有源電子設(shè)備，包括主控制芯片、預(yù)驅(qū)動(dòng)器、功率半導(dǎo)體和傳感器。傳統(tǒng)的電機(jī)控制芯片采用單核MCU對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)芯片中存儲(chǔ)的編碼程序?qū)崿F(xiàn)所需的控制模式，然后根據(jù)控制模式的要求輸出控制電壓或電流，最終實(shí)現(xiàn)所需的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)所需的控制功率較大（例如10Kw或更大）時(shí)，控制芯片的尺寸和價(jià)格通常不是決定控制系統(tǒng)市場(chǎng)接受度的主要因素。但是，對(duì)于電機(jī)功率較低的應(yīng)用，情況就不同了。例如，在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散熱風(fēng)扇應(yīng)用中，這是一個(gè)很大的市場(chǎng)，單個(gè)電機(jī)控制芯片包含MCU、前驅(qū)動(dòng)器和低功耗半導(dǎo)體，這使得在一個(gè)簡(jiǎn)單的印刷電路板上實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)成為可能;請(qǐng)參見圖 1 所示的示例。當(dāng)應(yīng)用需要幾百到 1 Kw 的功率時(shí)，例如空調(diào)換氣扇，可以使用帶有 MCU、預(yù)驅(qū)動(dòng)器和大功率 MOSFET 的 IPM（智能電源模塊）;請(qǐng)參見圖 2 中的示例。在這兩種應(yīng)用中，控制器的尺寸和成本效益往往決定了產(chǎn)品在市場(chǎng)上的成敗。就數(shù)量而言，低功率電機(jī)控制器的市場(chǎng)比大功率電機(jī)控制器大得多。因此，低功耗電機(jī)應(yīng)用是推動(dòng)電機(jī)控制芯片發(fā)展的主要市場(chǎng)，尤其是專用電機(jī)控制芯片。

圖 1：具有雙電機(jī)和控制器的服務(wù)器冷卻風(fēng)扇

圖2：空調(diào)通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)

與使用軟件和通用DSP控制電機(jī)不同，專用電機(jī)控制芯片是專門為電機(jī)控制應(yīng)用開發(fā)的。它以固件的形式固化了控制算法，并將所需的高速運(yùn)算放大器、比較器、LDO 和許多其他外設(shè)集成到芯片中。因此，使用專用電機(jī)控制芯片的系統(tǒng)，特別是在低功耗系統(tǒng)中，具有較少的電子元件，并且控制系統(tǒng)的PCB看起來(lái)更緊湊。

機(jī)器人目前正處于顯著的發(fā)展階段?，F(xiàn)代機(jī)器人通常具有 40 多個(gè)“自由度”（DOF），這意味著“機(jī)器人”使用許多低功率電機(jī)和執(zhí)行器系統(tǒng)1。另一方面，現(xiàn)代汽車通常使用 40 多個(gè)電機(jī)2，其中大部分是低功率電機(jī)。在這兩種情況下，電機(jī)系統(tǒng)（包括控制芯片）的尺寸和成本效益都非?？量蹋?/p>

無(wú)傳感器控制：電機(jī)控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)

許多應(yīng)用對(duì)電機(jī)尺寸和可靠性有嚴(yán)格的要求。如果在電機(jī)中使用磁傳感器（例如霍爾傳感器）來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，則電機(jī)的結(jié)構(gòu)會(huì)變得復(fù)雜，從而不利于電機(jī)的可靠性和壽命。

“無(wú)傳感器控制”利用控制器中的“觀察者”算法而不是物理位置傳感器來(lái)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和控制模式（例如FOC模式）調(diào)整電機(jī)定子繞組中的電流和電壓，以控制電機(jī)的狀態(tài)。這種控制方法消除了對(duì)額外物理角度傳感器的需求，因此可以大大簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)并提高其可靠性。然而，無(wú)傳感器控制需要高性能的觀察器，如滑動(dòng)膜觀察器、自適應(yīng)觀察器或基于可擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的觀察器。使用這些觀察器需要大量的計(jì)算，并對(duì)MCU提出了高性能要求。電機(jī)控制技術(shù)和半導(dǎo)體硬件的進(jìn)步導(dǎo)致在電機(jī)系統(tǒng)中越來(lái)越多地使用無(wú)傳感器控制。在適用場(chǎng)景中，無(wú)傳感器控制由于對(duì)磁鐵的磁化誤差不敏感，往往能比基于傳感器的控制實(shí)現(xiàn)更好的控制，并且可以完全避免因安裝而產(chǎn)生的傳感器位置誤差，這種控制方式已成為電機(jī)控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。許多高性能的驅(qū)動(dòng)模式，如FOC（磁場(chǎng)定向控制），也可以通過(guò)無(wú)傳感器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3：帶霍爾傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制框圖

圖4：無(wú)傳感器控制模式的無(wú)刷直流電機(jī)控制框圖

在線識(shí)別參數(shù)和監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)健康狀況：新挑戰(zhàn)

具有高精度和魯棒性的“觀察者”是實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制的關(guān)鍵部分。這個(gè)“觀察器”實(shí)際上是一種算法，它使用電機(jī)的等效電路參數(shù)以及電機(jī)運(yùn)行期間的電壓、電流和反向電動(dòng)勢(shì)等電量信息來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。

圖5：無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路

圖6：感應(yīng)電機(jī)的等效電路

Table 1 Effect of temperature variation on a brushless DC motor Ke

表1溫度變化對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的影響K e

圖5所示為無(wú)刷直流電機(jī)的等效電路，該電路由3個(gè)參數(shù)組成：電機(jī)繞組等效電阻R、等效電感L和反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)K e （K e =E/n）。圖6所示為感應(yīng)電機(jī)的等效電路，由7個(gè)參數(shù)組成：定子等效電阻R 1和漏感L 1 、轉(zhuǎn)子等效電阻R 2和漏感L 2 、勵(lì)磁效應(yīng)電阻R Fe和電感X m ，轉(zhuǎn)子 速度 滑差 。

這些等效參數(shù)很難準(zhǔn)確測(cè)量。例如，在更簡(jiǎn)單的無(wú)刷直流電機(jī)等效電路中，電感L隨轉(zhuǎn)子位置而變化。不僅如此，所有這些參數(shù)還隨著驅(qū)動(dòng)電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)負(fù)載和環(huán)境溫度的變化而變化。因此，在許多應(yīng)用中，需要實(shí)時(shí)在線識(shí)別電機(jī)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)高性能無(wú)傳感器控制。

除了高性能無(wú)傳感器電機(jī)控制外，高精度參數(shù)識(shí)別的在線結(jié)果還可用于檢測(cè)電機(jī)健康。 表 1 顯示了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) K e 和電阻 R 隨溫度的變化。這種關(guān)系可用于模擬電機(jī)溫度和參數(shù)之間的關(guān)系，因此該模型可用于通過(guò)無(wú)傳感器模式實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)內(nèi)部的溫度。這種在線檢測(cè)對(duì)于許多應(yīng)用都很重要，因?yàn)闊o(wú)需溫度傳感器和將傳感器安裝在電機(jī)中，就可以降低電機(jī)系統(tǒng)的成本和尺寸。同樣，參數(shù)變化包含有關(guān)磁體性能和絕緣條件的信息，這些信息也可用于了解電機(jī)的健康狀況。

多參數(shù)識(shí)別模型在計(jì)算上非常困難，特別是因?yàn)樗鼈兺歉叨确蔷€性的。參數(shù)越多，識(shí)別起來(lái)就越困難。當(dāng)采用無(wú)傳感器控制時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中只能獲得三相電流和電壓的瞬時(shí)值，在線參數(shù)識(shí)別變得非常困難。識(shí)別過(guò)程是計(jì)算密集型的，需要 MCU 的高性能。

隨著工業(yè)和家用產(chǎn)品的快速發(fā)展，電機(jī)控制芯片面臨著越來(lái)越多的待處理任務(wù)。如果仍然使用傳統(tǒng)單核架構(gòu)的電機(jī)控制芯片來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，則必須采用先進(jìn)的芯片工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)具有高密度單元的MCU，使芯片能夠高速處理電機(jī)控制模式并執(zhí)行參數(shù)識(shí)別等任務(wù)的計(jì)算。然而，這種處理會(huì)使芯片過(guò)于昂貴而無(wú)法被市場(chǎng)接受。

雙核架構(gòu)電機(jī)控制芯片

單核架構(gòu)的電機(jī)控制芯片只能在串行處理模式下進(jìn)行多任務(wù)計(jì)算，越來(lái)越難以適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。因此，F(xiàn)ortior Technology 等公司紛紛開發(fā)出雙核架構(gòu)的電機(jī)控制芯片。圖 7 顯示了其采用雙核架構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)控制芯片3。該芯片由一個(gè)專用內(nèi)核電機(jī)引擎 （ME） 和一個(gè)通用內(nèi)核通用處理器 （GPP） 組成。ME 側(cè)重于觀察者和電機(jī)控制模式的算法，而 GPP 用于處理通信、保護(hù)和閉環(huán)控制等通用任務(wù)。

芯片運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)內(nèi)核相互通信，進(jìn)行任務(wù)分配和協(xié)調(diào)。這樣，許多操作可以并行處理，多任務(wù)處理大大加快。因此，雙核架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能電機(jī)控制芯片，而無(wú)需先進(jìn)的芯片工藝。例如，在查看控制芯片的重要指標(biāo)——單步FOC計(jì)算時(shí)間tFS時(shí)，F(xiàn)ortior Technology的雙核芯片實(shí)現(xiàn)了4.5m s的t FS，這比許多單核架構(gòu)的高性能電機(jī)控制芯片要快得多。

雙核架構(gòu)也使芯片避免了專用芯片缺乏靈活性的問(wèn)題，大大拓寬了專用電機(jī)控制芯片的應(yīng)用范圍。

圖 7：Fortior Technology 采用 Dule 核架構(gòu)的電機(jī)控制芯片

采用三核架構(gòu)的電機(jī)控制芯片

盡管現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電機(jī)控制的要求越來(lái)越嚴(yán)格，但雙核架構(gòu)的專用電機(jī)控制芯片在許多應(yīng)用中都勝任，包括簡(jiǎn)單的電機(jī)參數(shù)識(shí)別。但是，如果需要控制更復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)更精確的參數(shù)識(shí)別，雙核架構(gòu)很難滿足控制要求。因此，三核架構(gòu)自然而然地成為電機(jī)控制芯片的新解決方案。

圖 8：采用三核架構(gòu)的無(wú)傳感器電機(jī)控制芯片

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結(jié)論

家用電器、工業(yè)應(yīng)用等傳統(tǒng)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速;車載電器、人工智能等新的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷涌現(xiàn)。所有這些都對(duì)電機(jī)系統(tǒng)提出了越來(lái)越復(fù)雜和苛刻的要求?；趥鹘y(tǒng)單核架構(gòu)的電機(jī)控制芯片已無(wú)法應(yīng)對(duì)新出現(xiàn)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，多核架構(gòu)的控制芯片應(yīng)運(yùn)而生。雙核架構(gòu)芯片已在許多領(lǐng)域成功應(yīng)用，并顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以利用無(wú)傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制模式，完成復(fù)雜的多任務(wù)處理。雙核架構(gòu)電機(jī)控制芯片在性價(jià)比方面也具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)對(duì)電機(jī)控制芯片有更高的要求時(shí)，例如需要識(shí)別電機(jī)參數(shù)，在無(wú)傳感器模式下監(jiān)控電機(jī)的健康狀況，三核架構(gòu)自然成為高性價(jià)比電機(jī)控制芯片的首選。隨著電機(jī)控制任務(wù)變得越來(lái)越復(fù)雜，多核架構(gòu)將成為電機(jī)控制芯片技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。