無論是工業、家庭還是商業用電,電機是耗能的“第一大戶”,提升其運行效率是節能的不二之選。IEA(國際能源機構)曾指出,電機功耗占全球總能耗的45%,提高電機驅動系統的效率將使全球電力消耗降低9%～14%。在能源短缺及環保要求雙重壓力下,更高的能效、更出色的動態性能和更低的運行噪聲已成為電機驅動的重要設計要求。

2010年～2015年全球主要家用電器的出貨量增長32%,而PMSM/BLDC馬達的采用比例也將增長1倍。

三相無刷電機需全新解決方案

BLDC需要新的解決方案提供模塊化的先進馬達控制軟件庫,最大限度減少軟件設計工作。

在交流電機、直流電機兩類電機中,直流電機取代交流電機已是趨勢使然。直流電機又分為直流有刷及無刷電機,直流無刷電機中的三相無刷直流(BLDC)電機和永磁異步電機(PMSM)因為體積更小、可靠性更高、運行效率更高,更加契合環保需求。德州儀器(TI)的MCU業務拓展經理吳健鴻就表示,為了實現高可靠性、低成本和高效率,業界正從有刷向三相無刷電機邁進。

飛兆半導體公司BLDC產品線市場經理簡文烯也介紹說,AC(交流)馬達轉向BLDC馬達的趨勢越來越明顯,據預計,2010年～2015年全球主要家用電器的出貨量增長32%,而PMSM/BLDC馬達的采用比例也將增長一倍,因為其在體積、效率、轉速控制、壽命等方面都更出色。

此外,在BLDC類型中也呈現由有傳感器向無傳感器轉型的趨勢。吳健鴻表示,如在傳統磁場定向控制(FOC)電機設計中,采用轉子傳感器既會增加成本,還可能會降低可靠性,從而對系統造成不利影響。此外,在某些特定應用如封閉式壓縮機或大型牽引設備等應用中采用傳感器也是不可行的。

雖然業界一致看好BLDC,但采用BLDC馬達也面臨多重挑戰,如需要更高級、更復雜的電機控制算法,以及更少的開發成本和更快的開發效率等。“因而需要新的解決方案提供模塊化的先進馬達控制軟件庫,最大限度減少軟件設計工作(但仍提供可編程的系統控制和通信接口)等。”簡文烯表示。吳健鴻也指出,無傳感器FOC電機技術雖可帶來許多系統優勢,但許多行業都因缺乏電機控制系統知識而不得不延遲采用和推廣這些技術。

MCU主角配角兩相宜

電機控制器的走向已呈現分化的趨勢,而MCU扮演的角色也“主”“次”有別。

對于無刷直流電機而言,先進的FOC方案被廣泛采用,而這需要優化的MCU和易用軟件。雖然電機控制器廠商一致認識到電機的商機和未來走向,但沿襲以往的經驗以及差異化的考量,電機控制器的走向已呈現分化的趨勢,而MCU扮演的角色也“主”“次”有別。

飛兆最新開發的集成式電機控制器FCM8531讓MCU成為一個“配角”。簡文烯介紹,FCM8531的核心是單芯片上集成嵌入式MCU(MCS51)和先進馬達控制器(AMC),并通過MSFR實現雙方數據交換與存儲。其優勢在于通過使用預先配置和存儲在AMC中的軟件庫,AMC可以執行FOC和DQ控制等強大算法,MCU僅需要簡單的系統控制軟件編程,從而實現了最少的軟件控制。AMC和MCU均獨立工作,可避免系統中斷。同時,AMC能實時逐周期電流保護檢測PWM信號,并且可在微秒內關斷OWM信號以防止系統損壞。“此前飛兆的相關馬達控制芯片產品FCM8201/8202有MCU接口,而新的FCM8531正是基于此基礎之上,把MCU直接集成到單一芯片之中。”簡文烯表示。

這一設計使得MCU的功能“簡化”為馬達控制的可配置性選項,比如通信、管理速度控制面板、遙控裝置等。“雖然其他廠商推出的MCU是以32位為主,但飛兆從應用角度出發,認為MCU的作用是擴展可配置性和實現差異化,因此采用8位8051核。一般電機MCU單元需要工程師具備軟件撰寫的能力,飛兆的方案則降低了開發技術門檻,并可大幅縮短開發周期。”簡文烯說。簡文烯還表示,以后會在控制器中集成更多的AMC,通過開關來控制不同步工作的電機。

飛兆有些劍走偏峰的意味,而英飛凌卻是致力于讓基于32位ARM核的MCU作更多的功能集成,以“主角”的身份實現有的放矢的電機控制。英飛凌最新推出基于ARMM0核的XMC1000系列微控制器XMC1300就針對電機控制做了很多優化,并以“32位功能、8位價格”的高性價比來打開市場之門。英飛凌科技股份有限公司工業與多元化市場微控制器部門高級總監StephanZizala表示,XMC1300集成了一個功能強大的捕獲/比較單元CCU8和位置接口單元,支持精確的電機位置檢測;同時集成協處理器CORDIC,可進行矢量旋轉和硬件除法計算,支持無傳感器FOC解決方案,從而提高電機運行效率,這是其他基于Cortex-M0的單片機產品所沒有的。此外,XMC1300還包含適用于精確測量和PWM硬件同步化的高速12位模數轉換器、3個模擬快速比較器以及霍爾傳感器和正交編碼器接口等先進外設,以實現更高效的電機控制。

軟件主攻靈活性

目前電機功能其實已經足夠,客戶更關注價格和解決方案對細分市場的適應度。

不管硬件形式有多少差別,軟件算法是電機控制中的“靈魂”,沒有高效的軟件,硬件也就成為“無源之水”。

德州儀器最新支持InstaSPIN-FOC的32位C2000微控制器PiccoloF2806x,最具革新性的就是嵌入在MCU只讀存儲器(ROM)中的FAST軟件編碼器。有它可替代過去的電機傳感器或軟件觀察器,對各種使用條件下的通量、角度、速度和轉矩進行可靠、穩健估算。吳健鴻表示,以前TI用的是SMO算法,實現FOC需要花費較長時間尋找馬達參數,FAST則可直接調用。設計人員可在5分鐘乃至更短的時間內識別、調節并實現控制,不但可簡化開發,而且還可提高所有可變速度及負載電機應用中的電機效率、性能與可靠性,客戶更可集中精力進行差異化設計。

而英飛凌XMC1000系列采用與去年發布的高端XMC4000系列完全相同的免費集成式開發平臺DAVE,還可利用DAVEApps進行模塊化編程。工程師可通過圖形用戶界面進行DAVEApps的選擇、配置和組合,根據單片機資源自動進行資源分配,并支持自動生成C代碼和軟件文檔。“比如在電機控制的APP應用中,既有針對應用的,也有基于外設的,設計人員只需把所用電機的參數和需求等信息輸入即可。當然,也可自寫程序。”StephanZizala表示,“截至2月底,已有20個XMC1000DAVEApps發布,預計全年可達150個。”

為適應不同的馬達設計,飛兆的AMC也配置了不同的軟件庫,現有速度積分、滑動模式、霍爾接口等,可實現FOC、正弦波控制等。簡文烯表示,飛兆提供的三個庫涵蓋80%的馬達應用,針對20%的特殊應用軟件也會在今后添加。

無論如何“軟硬兼施”,最重要的是客戶認可度。華中科大某位教授就說,目前電機客戶覺得功能其實足夠,他們更關注價格和解決方案對細分市場的適應度。