基于 DCS 的无传感器矢量电机控制方案

　　电机控制是任何微控制器 （MCU） 的关键功能，因为启用应用所需的处理能力是集成电路 （IC） 中固有的。但电机控制应用和电机类型的广度令人震惊。因此，设计团队需要仔细地将应用与正确类型的 MCU 匹配，以最大限度地降低实施成本并确保性能符合设计规范。在某些情况下，低端 MCU 就足够了，而其他应用则需要更高性能的控制器。

　　具有针对数字信号处理 （DSP） 功能的快速操作需求而优化的架构的 MCU 通常被称为数字信号控制器 （DSC）。DSC 在电机控制应用中越来越受欢迎，因为其数学功能可以在相对低成本的 IC 上实现复杂的控制场景。

　　飞思卡尔长期以来一直是 DSC 趋势的领导者，并为 DSC 与其他 MCU 在电机控制方面的比较提供了一个很好的参考点。该公司将其 16 位入门级 MC56F8006/2 DSC 置于其电机控制产品组合的中间位置。通常，数学功能使 DSC 非常适合处理器必须处理模拟输入的实时捕获的应用。捕获后，DSC 会分析输入并执行实时控制算法。更高端的 MCU，例如基于电源架构的 MCU，可以为此类任务带来更多的处理能力，但 DSC 产品更具成本效益，因为它们可以针对应用进行扩展。

　　使用 DSC 的产品种类繁多，从家用电器到对功率敏感的应用，从手持电动工具到医疗系统。飞思卡尔MC56F8006 / MC56F8002 DSC 适用于复杂场景，而 MC9SO8MP16 8 位 MCU 系列则针对入门级无刷直流 （BLDC） 电机控制。DSC 可用于三相 BLDC 电机应用、入门级磁场定向控制 （FOC） 应用和永磁同步电机 （PMSM） 应用。

　　DSC 架构与电机应用相匹配

　　看看 MC56F8006/2 架构，您可以了解该系列非常适合电机控制应用的原因。56F800E 处理内核的最大时钟速度为 32 MHz，但在电机控制应用中至关重要的定时器和脉宽调制 （PWM） 外设的工作频率为 96 MHz。PWM 模块具有六个输出。DSC 集成了双 12 位 ADC，可以在 3.03 µs 内以最大时钟速度转换一个样本。这些 IC 包括三个在电机控制中也很重要的模拟比较器。

　　MC56F8006/2 的数学功能由一个 16x16 位并行 MAC（乘法累加器）启用，该 MAC（乘法累加器）针对矩阵数学等功能进行了优化。该架构还包括四个 36 位累加器以提高速度。

　　进一步提升飞思卡尔 DSC 系列，MC56F824x 和 MC56F825x 也使用 56F800E 内核，但将时钟速度提高到 60 MHz，使其成为许多应用的理想选择。DSC 增加了其他功能，例如用于三个模拟比较器的 5 位数模转换器 （DAC） 参考，可以实现更精确的控制方案。

　　DSC 支持无传感器 FOC 应用

　　Microchip推荐将其 dsPIC DSC 用于复杂控制场景，例如无传感器 FOC 算法。事实证明，FOC 方法在电机面临动态变化负载的应用中很受欢迎，例如洗衣机。

　　传统上，洗衣机使用 BLDC 电机驱动和六步或梯形控制方案。在此类控制系统中，霍尔传感器向控制器提供转子位置信息，但精度仅限于离散的传感器位置。随着洗涤周期变得更加复杂，传感器无法提供进行更改所需的持续反馈。此外，电机上的负载会不断地动态变化——尤其是在洗涤负载的重量会影响电机的前置装载机中。

　　与 PMSM 电机配合使用的 FOC 设计可以通过监测存在于定子绕组中的反电动势 （EMF） 电压来连续感测转子的位置。PMSM 电机增加了运行更安静的优势，并且与 BLDC 电机相比，通常被认为相对于尺寸更强大。

　　采用无传感器控制设计的 Microchip dsPIC30F 系列 DSC 在电机轴上没有位置传感器。相反，该设计使用三相逆变器内部的电阻器对电机进行电流测量。FOC 算法（有时称为矢量控制）要求 DSC 执行复杂的数学运算，例如克拉克和帕克坐标变换。此外，DSC 最终必须使用空间矢量调制等技术生成 PWM 信号。

　　dsPIC 架构非常适合该应用。16 位系列集成了一个 17x17 位单周期 MAC。此外，它还包括两个 40 位累加器以适应饱和位。DSC 还包括一个 40 级桶形移位器。还有其他外围设备也可用于启用应用程序。例如，dsPIC 系列包括一个正交编码器接口以及必要的 PWM 和数据转换器外设。

　　32 位 DSC 趋势

　　虽然 Microchip 和 Freescale 产品都是 16 位器件，但电机控制应用也有向 32 位 DSC 发展的趋势。德州仪器 （TI） 的 16 位 MSP430 MCU 系列支持入门级控制方案，但当手头的任务是 FOC 或矢量控制时，它更积极地针对 32 位 C2000 Piccolo 系列。TI 不一定将 DSC 名称用于 C2000 MCU，但它是恰当的描述。处理器内核包括一个 32-x32 位单周期乘法器，一些家族成员包括一个浮点处理器，称为控制律加速器，用于更精确的算法。

　　还有许多其他供应商提供基于 ARM Cortex-M4 架构的 32 位 DSC，包括飞思卡尔及其 Kinetis 系列和STMicroelectronicsSTM32 系列。此外，恩智浦半导体是第一家提供基于 ARM Cortex-M4 架构的 DSC 的公司，去年推出了 LPC4300 系列。

　　Cortex-M4 设计包括三个独立的 MAC——一个可以处理 32 位数据，另外两个可以处理 16 位实现。每个 DSC 供应商都可以自行决定使用电机控制所需的 PWM 和数据转换器外设来补充核心架构。

　　32 位价值主张

　　32 位处理器的主要优势是相对于整个系统设计而言的。许多项目可能包括多个电机，一些 32 位处理器可以同时控制三个或更多电机。

　　设计人员在考虑 MCU 和 DSC 等组件时必须考虑整个系统。除了电机控制之外，32 位 MCU 或 DSC 可能能够承载设计规范中定义的所有功能，例如基于触摸的用户界面和通信功能。另一方面，16 位 DSC 可能完全能够执行电机控制任务，但无法处理其他系统元素。

　　相反，手头的项目可能需要分布式智能方法。也许电机控制器必须放置在恶劣的环境中，因此需要在更高温度下工作的专用 IC。使用成本优化的 DSC 可能是最佳选择，因为它允许设计人员将系统复杂性的其余部分留给使用标准的商业级 MCU 在受保护的环境中实施。此外，DSC 具有支持其他任务的空间。与工程领域一样，没有通用的答案，但很明显，今天的设计团队有几种可行的电机控制选