从内核性能到功能集成，PMSM驱控能力又进一步

PMSM全称是permanent magnet synchronous motor，也就是永磁同步电机。电机控制的本质是控制转速和扭矩，PMSM就是利用磁场产生转矩。在低能效电机渐渐满足不了各项需求的今天，高能效电机完成对低能效电机的替代已经是大势所趋，高能效电机也就是我们熟知的无刷直流（BLDC）与永磁同步（PMSM）。
 
BLDC与PMSM二者最明显的区别在反电势上，当一台电机设计完成后，其反电势就确定了。我们可以将反电势理解成电机的特征码，通过确定反电势的波形和大小，可以轻而易举地区分电机类型与大小。因为BLDC与PMSM的定子绕组设计的差异，造成了两种高能效电机的反电势不同，这里就不展开了。除此之外，PMSM电机与BLDC电机的区别在各种电机应用方面都并不大，两者之间可以也能互相替换。如果一定要区别开，那PMSM更偏向于是高精度定速驱动的理想选择，非常适用于直接驱动大马力、低转速的负载。
 
PMSM的特性不难看出它的控制系统会复杂些，较为常见的PMSM电机控制系统主要由驱动器、主控制器及各种传感器等组成。尽管结构不同，但所有三相永磁电机（BLDC、 PMSM或PMAC）都是由PWM调制的三相桥（三个半桥）驱动， 以便为电机提供可变频率和幅值的三相电压、电流。PMSM电机的控制要求主控芯片不仅有强大的电机控制专用外设，而且需要很强的实时性能。
 
英飞凌Audo-MAX系列
 
TC1782/84是英飞凌旗下的Audo-MAX系列MCU产品，是一款哈弗架构且有非对称双核（主核Tricore和外设控制协处理器PCP）的高性能32位MCU。TC1782/84将复杂的DSP功能和高端微控制器的优势结合在了一起，其时钟频率为133/180 MHz。并内置浮点运算单元FPU，DSP算法指令，2.5M字节FLASH，176K字节RAM。
 

（图源：英飞凌）

 
这个系列使用专用外设控制处理器（PCP）用来管理片上外设，将TriCore从繁复的标准处理任务中解放出来。其展现出的卓越的实时性能、强大的处理能力、完全集成的DSP功能以及单精度浮点单元，完全匹配到了PMSM的主控需求。
 
值得一提的是，TC1782/84采用了具有数字信号滤波器和定时器功能的通用定时器阵列和本地定时器单元，用于实现复杂I/O信号，也就是我们常说的GPTA。配合4通道的ADC，这个系列在死区控制和PWM控制上也不赖。
 
Trinamic MotionCookie系列
 
Trinamic的产品是有关电机的文章里的常客了，这次讲的TMCC160是Trinamic MotionCookie系列中的一款。TMCC160是一款老产品了，在今年Trinamic宣布其将停产。但在TMCC160刚刚推出时，作为首款片载系统PMSM/BLDC控制芯片，它表现得可谓十分亮眼。
 

（图源：Trinamic）

 
TMCC160在一个12mm*17mm的芯片内部集成了电机的预驱动，微控制和操纵系统。高度集成的芯片只需要增加外部功率就可以实现一个完整的伺服电机控制系统。具体一点就是集成了高效的先进的换向算法、门驱动器、不同的接口选项以及产生数字电源、测量和诊断功能。
 
为了避免在电机减速时电源过调，TMCC160提供一个制动斩波器输出，可以连接到一个低侧n通道MOSFET。制动斩波器的占空比还能根据电源电压进行自动控制。而对于需要高定位精度和低速平稳运行的应用，电机编码器的配置必不可少。TMCC160支持增量ABN编码器，分辨率高达16000行。另外对于对定位精度和速度要求降低的应用，霍尔传感器一直是最经济有效的选择，而该PMSM也已经囊括了用于换向的霍尔传感器。
 
作为世界上首款集成了MCU和操作系统的伺服控制芯片，TMCC160在今年也向大家说了再见。
 
TI C2000 TMS320F2833X系列
 
C2000系列，TI的经典系列。虽然很难界定这个系列到底属于MCU还是DSP，但C2000的可扩展、超低延迟不需要过多介绍，在电机控制里这个系列是硬通货。在PMSM上今天介绍的是TMS320F2833X。
 

（图源：TI）

 
TMS320F2833x能够通过减少系统组件实现用于三相电机的智能控制器的成本有效设计，能在片上实现FOC等数字矢量控制算法。在PMSM上实现FOC控制是一件成本极高的事情，远超在BLDC上实现FOC的成本。因此这个系列带来的优势以及低成本诱惑还是非常具有吸引力的。
 
首先，计算能力是必需的。TMS320F2833x具有执行复杂控制算法所需的计算能力，以及与 DMC硬件的不同组件对接的正确混合外设，例如ADC，增强型脉宽调制器 （ePWM），正交编码器脉冲（QEP），增强型捕捉（ECAP）等等。另外，DMC库提供可被重新使用来执行全新控制策略的可配置块，IQMath库则可实现浮点算法到定点的轻松迁移，大大缩短开发周期。
 
从TMS320F2833x整体来看，在PMSM应用上，它通过强大的计算能力运行控制算法，大大减少了转矩纹波，表现出来的是电机更低的振动与更长的使用寿命；同时先进的控制算法减少了反相器生成的谐波；使用ePWM外设生成了更高分辨率的PWM。
 
抛开内核的参数指标，仅仅从其给出的FOC控制，TMS320F2833X就已经足够让PMSM设计变得更简单。
 
小结
 
PMSM驱控芯片在低成本应用上目前就是打价格战，应用稍微往高一点就开始对性能要求，对功能可扩展性要求开始变高。从目前的形势来看，单芯片方案仍然是国产电机最常见的。