設(shè)計高性能和低功耗的電機控制系統(tǒng)(一)
● 雙內(nèi)部高精度振蕩器;無需外部晶體
● 12位A/D轉(zhuǎn)換器具有16通道,最大采樣頻率為每秒4.6兆樣本
● 多達(dá)19通道的PWM輸出,具有可配置自動死區(qū)
● 19個PWM通道中有多達(dá)8個可以在高分辨率模式下工作,其可以低至150皮秒
● 增強型正交編碼器脈沖(QEP)和增強型捕捉外設(shè)(eCAP)可以簡化傳感器解碼
精確和準(zhǔn)確控制
Piccolo架構(gòu)提供極佳的處理功能,達(dá)每秒4000至8000萬條指令(MIPS)。這樣的高性能使開發(fā)者不僅能夠同時監(jiān)視和控制多個電機,還能夠執(zhí)行更復(fù)雜的控制算法以實現(xiàn)更高的精度、更流暢的性能和更低的功耗。例如,單一Piccolo MCU能夠在控制兩個電機的同時維持有源PFC控制,并且仍然有足夠的處理能力來執(zhí)行高級電機控制算法,例如無傳感器的磁場定向控制(FOC)。
脈寬調(diào)制(PWM)在產(chǎn)生供應(yīng)給電機或高性能電源的電壓或電流中發(fā)揮重要的作用。控制算法的最新改進使開發(fā)人員能夠?qū)嵤└叨染_的算法,以提供與系統(tǒng)行為實時變化相適應(yīng)的動態(tài)控制。FOC具有很多優(yōu)勢,包括低速的全電機扭矩功能、出色的動態(tài)行為、跨越很大速度范圍的高效率、對扭矩和磁通的解耦控制、短期過載功能和四象限操作。但是,F(xiàn)OC也要求比標(biāo)準(zhǔn)的控制方案明顯更加復(fù)雜的計算。
FOC原理是通過對電機的相電流進行采樣來控制定子磁場的角度和振幅分量,然后進行轉(zhuǎn)換,使其易于控制。電機的三相電流通過ADC讀入系統(tǒng)。這些相電流處于三相旋轉(zhuǎn)域內(nèi),并使用Clarke變換將其轉(zhuǎn)換為二維旋轉(zhuǎn)域。由此,可使用Park變換將這兩個相位轉(zhuǎn)換到固定域內(nèi),如圖1所示。Clarke和Park變換可被可視化為彼此的矢量投影,如圖2所示。Park變換會產(chǎn)生通量分量Id和轉(zhuǎn)矩分量Iq。永磁電機的電機轉(zhuǎn)矩僅取決于轉(zhuǎn)矩分量Iq。因此,最便捷的控制策略即是將通量分量(Id)設(shè)置為零,這將最大限度地減少轉(zhuǎn)矩電流比并提高電機效率。電流分量的控制需要具備有關(guān)瞬時轉(zhuǎn)子位置的知識。轉(zhuǎn)子位置既可使用無傳感器技術(shù)計算,也可使用傳感器測量。由于Park變換的輸出位于固定域中,因此可使用PID回路等傳統(tǒng)技術(shù)進行控制。然后可將PID回路的輸出輸入到逆向Park、逆向Clarke中,然后直接輸入到電機驅(qū)動器。
圖3所示為完整的FOC電機控制系統(tǒng),該系統(tǒng)使用無傳感器技術(shù)以獲取轉(zhuǎn)子位置。三相逆變器的ADCINx和ADCINy輸出是三個相電流之二;第三種很容易計算。如上所述,相電流從此處輸入Parke和Clarke變換中。此無傳感器系統(tǒng)根據(jù)三相電流的反饋使用“SMOPOS”和“SMOSPD”計算轉(zhuǎn)子位置,消除了使用昂貴傳感器的需求。
FOC是一種針對使用永磁(PM)電機的系統(tǒng)而設(shè)計的重要技術(shù)。PM電機在白色家電中的普及度日益增加,它們具備更高的功率密度且不易磨損,因此效率非常高。
開發(fā)人員僅需提供幾個矢量和旋轉(zhuǎn)方向就可實現(xiàn)輸出的實時信號更新。FOC等先進的控制機制是提高性能但不增加成本的重要技術(shù)。Piccolo架構(gòu)大幅簡化了對稱PWM波形的生成。利用Piccolo MCU,開發(fā)者可以輕松引入更改精確的控制,同時仍然為PFC留出足夠余量。事實上,TI是第一個以2–6美元的價格點在單芯片上同時支持PFC和FOC功能的公司。
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