作者：Microchip 16位單片機業務部資深戰略營銷經理Patrick Heath
電機控制領域有三大主要趨勢，它們呈現出並駕齊驅的態勢。這三大趨勢分別是：提高能效（綠色倡議）、完善功能安全（最早適用於家電應用，現在應用範圍已擴大），當然還有一直以來的降低成本趨勢。無論對消費者、Microchip 還是整個世界而言，這三大趨勢都極為有利。
據估計，電機控制所消耗的電力約占全球電力產能的三分之一。隨著能源成本的不斷增加，電機控制自然而然成為了提高效率的目標。這就促使應用從BDC 演變為BLDC 再到PMSM，最終發展至IPM 電機，以便在消費品、工業和數據中心應用中實現更高的能效。甚至在汽車領域，提升燃油效率或延長電動汽車（EV）一次完全充電的行駛距離，這樣的趨勢，也在推動從低成本BDC 到高效BLDC 電機的轉變。
當然，這也意味著控制算法必須改變才能保持同步。作為BLDC 電機的簡單六步換相或交流感應電機（ACIM）的伏特/ 赫茲算法的替代，您需要使用磁場定向控制（FOC）算法來運轉這些電機，這種算法可優化電機的轉矩輸出，從而最大限度地提高能效。
現在，即便使用標準FOC 算法也不足以滿足要求。例如，有一種適用於FOC 的附加算法，可最大程度提高每安培的轉矩（MTPA）。這種算法用於IPM 電機。FOC 中加入了另一項功能，稱為零速/ 最大轉矩（ZS/MT），可在啟動或低速狀態時最大程度提高電機轉矩。它有助於從霍爾傳感器轉向FOC。幸運的是，Microchip 的電機控制應用工程師們擅長幫助客戶在應用中實現此類高級FOC 解決方案。
功能安全這一趨勢始於家用電器，但在大約10 年前，隨著ADAS應用的開發，汽車領域也開始重視功能安全，很快醫療應用也對安全性提出了很高要求。家電和工業應用均需符合IEC 60730 B 類設備的要求。在汽車領域，該規範稱為ISO 26262 ASIL B、C或D。而對於醫療應用，則適用於IEC 61508 SIL 2/SIL 3 規範。
這些功能安全規範在不斷發展演變。他們在開始時需要利用軟體診斷程序或硬體電路來發現可能造成人身傷害的故障。現在，他們將安全性貫穿於整個設計過程（甚至包括公司的組織形式），以此來控制電氣元件的開發過程，為這一流程提供支持。Microchip 現在根據此ISO 流程設計出新的電機控制晶片，並向客戶提供功能安全診斷庫和用戶指南等附加產品，幫助他們實現安全合規性。
降低成本是第三大趨勢，它既沒有開始，也不會結束。客戶希望有能夠以最低價格滿足其需求的選擇，而製造商理所當然地希望將其利潤最大化。像Microchip這樣的半導體製造商，其最終目標是推動技術幾何結構逐漸變小，增加每個矽晶圓上的管芯數量，從而在競爭中取勝。
這必然是一個艱難的過程，但也有很多好處。採用的技術越新，製作出的新晶片的性能水平就越高，閃存程序存儲器和數據SRAM 存儲器就越大，數字和模擬外設的功能也更強，這不僅完善了電機控制本身，同時還提高了整個應用的功能性。憑藉新的特性和功能、更高的運行效率和更強的功能安全性以及比以往更低的價格，助力客戶取得成功。
電機控制應用開發的主要困難之一是需要一個設計出色的電機控制開發板。它必須能夠處理電機產生的電壓和電流，並且鍍銅層要足以吸收由MOSFET 在高頻（通常為20 kHz）下開關產生的熱。既不能將其用金屬線纏繞，也不能接到電路試驗板上。
幾年前，我去拜訪了一家客戶，他們當時正嘗試對低電壓電子換相風扇電機產品進行調試。可以啟動電機和風扇，但運轉幾秒後就會停轉。客戶連上了調試器，試圖找出發生的問題。結果發現，我們的dsPIC®電機控制DSC 上的CPU 由於在客戶代碼中的隨機位置執行了非法指令而停止。他們希望我能幫助找出電機控制晶片出了什麼問題。
我到達時，本打算去一個實驗室，但卻被帶到一間普通的會議室，他們在那裡運行電機。令我驚訝的是，他們沒有使用PCB（印製板），而是將dsPIC 電機控制DSC 和逆變器組件安裝到了電路試驗板上，並在周圍布滿了跳線來連接電路。
由於未使用具有合適接地層的真正PCB，電機產生的電氣噪聲被耦合到了電機控制器晶片中，導致數據遭到破壞，而這一錯誤被非法指令異常陷阱所捕獲。工程師們認為，調試電路後再進行布線及生產PCB 可以節省時間。
電機控制和數字電源應用也可能比其他類型的嵌入式控制更加危險。當然，這取決於您執行的電機控制類型。如果只是用於消費類玩具或汽車應用的簡單低電壓BDC 電機，那麼它在開路控制中旋轉並不困難，也沒有足夠的功率消耗從而造成麻煩。
但是，我們所看到的大多數客戶應用都是針對三相BLDC 或PMSM 電機控制。這些可以是用於汽車的低電壓12 V 電機。商業應用通常使用更高的電壓，例如用於鑽頭或其他電動工具的電壓為18 V，而工業機械和泵則通常使用24 V 電壓。我們還曾將96 V 電機用於踏板車。
1 電機控制三大趨勢解析
電機控制領域有三大主要趨勢，它們呈現出並駕齊驅的態勢。這三大趨勢分別是：提高能效（綠色倡議）、完善功能安全（最早適用於家電應用，現在應用範圍已擴大），當然還有一直以來的降低成本趨勢。無論對消費者、Microchip 還是整個世界而言，這三大趨勢都極為有利。
據估計，電機控制所消耗的電力約占全球電力產能的三分之一。隨著能源成本的不斷增加，電機控制自然而然成為了提高效率的目標。這就促使應用從BDC 演變為BLDC 再到PMSM，最終發展至IPM 電機，以便在消費品、工業和數據中心應用中實現更高的能效。甚至在汽車領域，提升燃油效率或延長電動汽車（EV）一次完全充電的行駛距離，這樣的趨勢，也在推動從低成本BDC 到高效BLDC 電機的轉變。
當然，這也意味著控制算法必須改變才能保持同步。作為BLDC 電機的簡單六步換相或交流感應電機（ACIM）的伏特/ 赫茲算法的替代，您需要使用磁場定向控制（FOC）算法來運轉這些電機，這種算法可優化電機的轉矩輸出，從而最大限度地提高能效。
現在，即便使用標準FOC 算法也不足以滿足要求。例如，有一種適用於FOC 的附加算法，可最大程度提高每安培的轉矩（MTPA）。這種算法用於IPM 電機。FOC 中加入了另一項功能，稱為零速/ 最大轉矩（ZS/MT），可在啟動或低速狀態時最大程度提高電機轉矩。它有助於從霍爾傳感器轉向FOC。幸運的是，Microchip 的電機控制應用工程師們擅長幫助客戶在應用中實現此類高級FOC 解決方案。
功能安全這一趨勢始於家用電器，但在大約10 年前，隨著ADAS應用的開發，汽車領域也開始重視功能安全，很快醫療應用也對安全性提出了很高要求。家電和工業應用均需符合IEC 60730 B 類設備的要求。在汽車領域，該規範稱為ISO 26262 ASIL B、C或D。而對於醫療應用，則適用於IEC 61508 SIL 2/SIL 3 規範。
這些功能安全規範在不斷發展演變。他們在開始時需要利用軟體診斷程序或硬體電路來發現可能造成人身傷害的故障。現在，他們將安全性貫穿於整個設計過程（甚至包括公司的組織形式），以此來控制電氣元件的開發過程，為這一流程提供支持。Microchip 現在根據此ISO 流程設計出新的電機控制晶片，並向客戶提供功能安全診斷庫和用戶指南等附加產品，幫助他們實現安全合規性。
降低成本是第三大趨勢，它既沒有開始，也不會結束。客戶希望有能夠以最低價格滿足其需求的選擇，而製造商理所當然地希望將其利潤最大化。像Microchip這樣的半導體製造商，其最終目標是推動技術幾何結構逐漸變小，增加每個矽晶圓上的管芯數量，從而在競爭中取勝。
這必然是一個艱難的過程，但也有很多好處。採用的技術越新，製作出的新晶片的性能水平就越高，閃存程序存儲器和數據SRAM 存儲器就越大，數字和模擬外設的功能也更強，這不僅完善了電機控制本身，同時還提高了整個應用的功能性。憑藉新的特性和功能、更高的運行效率和更強的功能安全性以及比以往更低的價格，助力客戶取得成功。
2 工程師在開發中遇到的困難
電機控制應用開發的主要困難之一是需要一個設計出色的電機控制開發板。它必須能夠處理電機產生的電壓和電流，並且鍍銅層要足以吸收由MOSFET 在高頻（通常為20 kHz）下開關產生的熱。既不能將其用金屬線纏繞，也不能接到電路試驗板上。
幾年前，我去拜訪了一家客戶，他們當時正嘗試對低電壓電子換相風扇電機產品進行調試。可以啟動電機和風扇，但運轉幾秒後就會停轉。客戶連上了調試器，試圖找出發生的問題。結果發現，我們的dsPIC®電機控制DSC 上的CPU 由於在客戶代碼中的隨機位置執行了非法指令而停止。他們希望我能幫助找出電機控制晶片出了什麼問題。
我到達時，本打算去一個實驗室，但卻被帶到一間普通的會議室，他們在那裡運行電機。令我驚訝的是，他們沒有使用PCB（印製板），而是將dsPIC 電機控制DSC 和逆變器組件安裝到了電路試驗板上，並在周圍布滿了跳線來連接電路。
由於未使用具有合適接地層的真正PCB，電機產生的電氣噪聲被耦合到了電機控制器晶片中，導致數據遭到破壞，而這一錯誤被非法指令異常陷阱所捕獲。工程師們認為，調試電路後再進行布線及生產PCB 可以節省時間。
電機控制和數字電源應用也可能比其他類型的嵌入式控制更加危險。當然，這取決於您執行的電機控制類型。如果只是用於消費類玩具或汽車應用的簡單低電壓BDC 電機，那麼它在開路控制中旋轉並不困難，也沒有足夠的功率消耗從而造成麻煩。
但是，我們所看到的大多數客戶應用都是針對三相BLDC 或PMSM 電機控制。這些可以是用於汽車的低電壓12 V 電機。商業應用通常使用更高的電壓，例如用於鑽頭或其他電動工具的電壓為18 V，而工業機械和泵則通常使用24 V 電壓。我們還曾將96 V 電機用於踏板車。
您還需要考慮這些電機可能消耗的電流。它們的電流可以低至幾安培，但也可以高很多。例如，電鑽可以在不到1 s 的時間內從電池組中消耗100 A 的電流。即便我們以一個較小的電流為例，比如10 A。在12 V 電機上，這相當於120 W的標稱功率，並且可能高出很多！
在電機控制中有這樣一種情況，電機正在快速旋轉，而您決定快速使其減速。有時將這種情況稱為四象限控制。這種情況下，會產生大量能量，流過逆變電路的高電流導致電壓為正常電壓的兩倍，而您知道此電路無法處理如此大的功率。您會發現MOSFET 可能會變成煙花，然而這可不是應該興奮的事情，並且您肯定不希望在發生這種情況時站得離電路板太近。
Microchip 了解客戶希望從開發階段快速轉入產品上市階段。對於尚未自行製作硬體的客戶，我們提供標準的低電壓和高電壓開發板，用於三相電機控制。我們甚至轉售適合開發板的庫存演示電機。客戶可以先使用我們的免費應用筆記軟體，或使用我們的motorBench®開發套件FOC 圖形用戶界面（GUI）生成軟體，獲得現成的工作解決方案，使他們在數分鐘內安全地使電機旋轉。不會出現煙花或非法操作代碼陷阱！
3 Microchip的解決方案
在Microchip，我們專注於簡化客戶的電機控制開發流程。讓客戶能夠更快速、更輕鬆地使電機旋轉，從而有更多時間專注於他們的應用需求，並且能縮短整個開發周期。為客戶提供原型設計所用的電機控制開發板只是該流程的一半。另一半是軟體開發。
過去，為了讓客戶啟動電機控制項目，我們為他們提供了用於控制算法的應用筆記和演示代碼，該算法在dsPIC33 電機控制器以及使用我們的一台庫存演示電機的一個電機控制開發板上運行。對於相對簡單的控制算法，例如6 步換相、無傳感器BEMF 甚至是帶滑模觀測器（SMO）的簡化FOC，這種方法十分有效。利用這些算法，只需調整新電機和負載的少量調節參數，而藉助調節指南，我們可以輕鬆指導工程師完成整個過程。
客戶通常可以在短短几個小時內使電機旋轉起來，這樣便有時間關注應用需求。
目前，我們的大多數dsPIC33 電機控制客戶都希望在使用PLL 估算器運行FOC 的同時，還能運行其他幾種算法。這包括：啟動時檢測轉子位置的初始位置檢測（IPD）軟體、可最大程度提高電機轉速的弱磁（FW）算法、用於最大程度提高電機轉矩輸出的每安培最大轉矩（MTPA）、用於支持較低電機轉速的死區時間補償（DTC）算法、用於減少母線電容量（以節省成本）的過調製（OM）算法、可平穩啟動自由旋轉電機的風車（WM）算法，以及能使電機安全地快速降速和停止的主動制動（AB）。客戶通常希望能混合使用這些附加算法並將部分組合與其主要FOC 算法相匹配。此外，這些附加算法還有各種選項可供選擇。這極大地提高了解決方案的複雜程度，遠遠超出了獨立演示代碼項目及調節指南所能涵蓋的範圍。
Microchip 的dsPIC33 電機控制團隊幾年前就已開始著手解決這一問題。他們創造出一個FOC 軟體工具，這款名為motorBench® 開發套件的GUI，與稱作電機控制應用框架（MCAF）的軟體框架協同工作，可針對特定電機生成FOC 代碼。用戶可利用motorBench 工具配置主要FOC 算法的工作方式。例如，您可以選擇使用PLL 或角度跟蹤PLL（AT-PLL）估算器，或者使用外部增量（光學）編碼器來提供轉子位置反饋。可以選擇和配置三種不同的電機啟動算法選項。此外，還可以選擇和配置附加算法的選項。
每個電機都具有獨特的電氣特性！這意味著必須為每個電機和負載定製FOC 參數。為此，motorBench 工具首先執行一個我們稱之為自調試（SC）的過程。此過程可以測量電機的幾個關鍵電氣參數，例如定子電阻（Rs）、轉矩（Ld）和磁通量（Lq）的電感以及電機的反電動勢（BEMF）。還可以在電機有負載的情況下測量一些機械參數，包括靜摩擦轉矩、轉子慣性和黏性阻尼。
收集有關電機和負載的信息之後，motorBench 工具可以轉至下一步，繼續運行電機及調節三個比例積分（PI）控制迴路（FOC 的基本構成要素）：轉速、Id（轉矩）和Iq（磁通量）。這三個PI 迴路的參數會自動調節，但用戶也可以使用motorBench 開發套件手動調整係數，以調節控制迴路的帶寬，使之更適合其應用。
完成調節後，MCAF 會生成代碼，代碼會放置到項目文件中，隨後可將這些代碼下載並燒寫到dsPIC®數字信號控制器（DSC）上的閃存程序存儲器中，使電機旋轉。整個過程需要大約5 到10 分鐘完成。如果不使用motorBench 工具，整個過程可能需要由數名工程師花費數周甚至數月的時間才能完成，而且這還只是基本的FOC 算法，不包含任何附加算法。要手動將這些附加算法集成到基本FOC 中也相當困難。使用motorBench 工具確實能夠幫助用戶節省大量時間和精力，使他們有時間專注於實現其應用代碼以及更快地將產品推向市場。
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