设计无传感器FOC电机控制的快速简便方法

今天,电机控制应用设计师面临来自市场,竞争对手和监管机构的压力,以优化其系统的性能和效率,同时将电子系统的成本降至最低。从家用电器中的泵,风扇和压缩机到无人机和电动自行车的应用需要复杂的控制系统,能够可靠地响应动态负载和电机速度的快速变化,同时将效率保持在最高水平,同时满足要求其他应用要求,例如低噪声。这种设计挑战的理想解决方案是永磁同步电机(PMSM)的无传感器磁场定向控制(FOC)。然而,设计这样的系统需要先进的运动控制算法,软件优化,

XMC 1300系列及其专用外设适用于经济高效,无传感器或传感器辅助的电机控制

 

英飞凌提供两种类型的控制器,能够对PMSM电机进行无传感器FOC控制:基于标准ARM-Cortex-M0内核的XMC MCU和iMOTION IRMCK099运动控制器IC。这两种类型的控制器服务于不同类型的设计者。XMC的目标是设计师和公司,他们在电机控制和嵌入式编程方面拥有扎实或广泛的专业知识,然后可以使用英飞凌提供的电机控制软件作为他们自己的电机控制和系统软件的基础。另一方面,iMOTION IRMCK099为没有足够电机控制技术的公司提供服务,或者其核心竞争力基于系统级别。然后,这些公司可以使用IRMCK099作为电机控制的交钥匙解决方案,同时专注于系统级别的差异化。

XMC1302支持高效的磁场定向控制。

 

XMC1000系列拥有四个产品系列和100多种产品,可满足各种应用需求。XMC1000衍生产品提供8 KB至200 KB闪存,高效PWM定时器,12位A / D转换器和灵活的串行通信接口。对于最简单的应用,XMC1100入门级系列提供了一系列基本功能,以便于进入XMC世界。XMC1200系列带来了额外的应用特性,例如用于LED颜色和亮度控制的亮度和色彩控制单元(BCCU)以及电容式触摸控制和LED矩阵控制单元。XMC1300微控制器系列具有更高的性能水平,增加了针对电机控制优化的接口和硬件模块。除了高性能捕获和比较单元(CCU8),它还包含一个位置接口(POSIF),用于通过外部霍尔传感器或编码器精确检测电机位置。MATH协处理器(XMC1302)加速执行复杂电机控制算法所需的关键数学运算。XMC1300系列的这些功能可实现电机的传感器辅助和无传感器磁场定向控制。由于更快的CPU时钟和内置预取缓冲区,最新的XMC1400系列可将性能提升高达70%。该系列还具有CAN接口,该接口经常用作工业环境中的通信协议。整个XMC1000系列提供温度范围高达+ 105°C的变型。MATH协处理器(XMC1302)加速执行复杂电机控制算法所需的关键数学运算。XMC1300系列的这些功能可实现电机的传感器辅助和无传感器磁场定向控制。由于更快的CPU时钟和内置预取缓冲区,最新的XMC1400系列可将性能提升高达70%。该系列还具有CAN接口,该接口经常用作工业环境中的通信协议。整个XMC1000系列提供温度范围高达+ 105°C的变型。MATH协处理器(XMC1302)加速执行复杂电机控制算法所需的关键数学运算。XMC1300系列的这些功能可实现电机的传感器辅助和无传感器磁场定向控制。由于更快的CPU时钟和内置预取缓冲区,最新的XMC1400系列可将性能提升高达70%。该系列还具有CAN接口,该接口经常用作工业环境中的通信协议。整个XMC1000系列提供温度范围高达+ 105°C的变型。由于更快的CPU时钟和内置预取缓冲区,最新的XMC1400系列可将性能提升高达70%。该系列还具有CAN接口,该接口经常用作工业环境中的通信协议。整个XMC1000系列提供温度范围高达+ 105°C的变型。由于更快的CPU时钟和内置预取缓冲区,最新的XMC1400系列可将性能提升高达70%。该系列还具有CAN接口,该接口经常用作工业环境中的通信协议。整个XMC1000系列提供温度范围高达+ 105°C的变型。

对于许多工业应用,特别是对于高效电机控制,需要高速,精确的A / D转换器。XMC1000系列的A / D转换器可配置分辨率为8,10和12位。这允许为应用程序优化转换时间和分辨率。除了高分辨率和采样率之外,精确设置测量时间尤为重要。因此,XMC1200,XMC1300和XMC1400系列允许根据开关模式通过可编程的硬件控制定序器定义采样时间。

使用IRMCK099M控制器板的备用电机控制,其中实现了基于硬件的无传感器FOC控制的电机控制ASIC

 

XMC1300和XMC1400系列的MATH协处理器可用于24位分辨率的矢量旋转(PARK变换)。它与主CPU并行计算,从而可以更加轻松,精确地实现强大的算法,以实现面向磁场的电机控制。另一个电机控制专用模块是可编程POSIF接口,可以使用霍尔传感器和增量编码器进行位置感测。由于可以同时记录相关数据,因此使用POSIF可以提高精度并简化各种应用程序的软件。低通滤波器抑制霍尔传感器和旋转编码器的噪声和干扰脉冲,这可能导致错误的位置和/或速度读数。

使用μC/ Probe XMC,可以借助8通道数字存储示波器实时显示电机控制中的关键控制回路。

 

CCU8通过半桥配置和多相控制中的互补开关,支持更复杂的PWM信号生成应用。这些功能与用于信号调节的高度通用和可编程方案相结合,意味着CCU8特别适用于高性能电机控制以及多相和多级系统。受益于此的典型应用包括用于驱动器的三相逆变器,用于太阳能模块的三电平逆变器和半桥转换器。使用CCU8定时器单元和附加比较通道还可以选择为上升沿和下降沿定义不同的死区时间,并生成非对称PWM信号。

IRMCK099是专用的运动控制IC,专为满足与先进的无传感器电机控制应用相关的复杂要求而设计。与需要编程的其他电机控制IC不同,IRMCK099具有电机控制引擎(MCE),其中包含固件中包含的控制算法(基于标准库块)以及硬件加速器。该MCE通过硬件和固件元件的组合,使用单个或腿部分流电流反馈为内部和表面PMSM实现无传感器FOC。IRMCK099采用5 mm x 5 mm,32引脚QFN封装,采用3.3V单电源供电,集成了所有主要系统元件。内置A / D转换器提供12位分辨率和2μs转换时间,使其适用于精密应用。除了先进的A / D转换器外,还有一个100 MHz内部振荡器,无需外部时钟。Sigma Delta DAC提供双通道模拟输出,所有模拟输入均经过工厂校准。除了具有CRC存储器检查功能的16 kB板载OTP存储器外,该器件还具有先进的通信和接口子系统,包括57.6kbps UART,8个数字GPIO端口,6个PWM输出和一个I2C接口。四个可通过寄存器选择的控制输入通过UART,模拟电压,频率或占空比支持电机速度和方向控制,从而增强了设计灵活性。这确保了在各种应用中简化的接口。单个分流器重建功能允许通过单个外部分流器实现FOC控制所需的精确电流测量,从而最小化外部模拟和数字电路。相移PWM消除了最小脉冲限制,改善了低速时的电机启动并降低了运行中的噪声。内置的安全和保护功能包括转子锁定保护和捕捉旋转,以在应用控制输入之前检测电机的任何旋转。

基于GUI的软件允许简单的参数化和调整。

 

与基于MCU或DSP的FOC设计相反,专用的iMOTION IC方法无需任何编程即可实现运动控制设计。使用基于GUI的驱动器配置和设计工具(MCE Wizzard)执行控制参数计算。该工具具有一个简单的基于表单的对话框GUI,以易于理解,工程师友好的格式捕获所有电机参数和应用信息,如速度和加速度 - 还说明了在哪里可以找到必要的信息。计算完成后,参数将自动导出到MCE Designer工具。该工具有助于电机驱动控制和测试以及参数调整。功能强大的参数化跟踪工具允许用户跟踪和绘制内部控制变量,从而快速调试并提高电机驱动性能。

iMOTION模块化应用开发套件(MADK)是一款紧凑型多功能评估系统和可扩展的三相电机驱动器(115/230 V)开发平台,目前功率范围介于20W和300W之间。它包括用于无传感器或可选用于传感器辅助控制的控制器和电源板。该套件可用于在不到一小时的时间内实现功能完备的电机系统。开发人员要做的就是将电路板连接到PC,电机和电源,下载,安装和参数化软件 - 电机已经运行。

iMOTION MADK套件可满足各种电机控制设计要求。每个套件都包含一个内置或单独调试接口的控制板,以及带有整流器和EMI滤波器的完整功率级。还包括:电机控制软件(预安装或可供下载)以及简单的基于GUI的软件(μC/ Probe XMC或MCE Wizzard / MCE Designer),用于参数化和调整。

完整的设计套件,带有两个控制器板和四个不同的电源板(250V和500V)

 

μC/ Probe XMC是Micrium的μC/ Probe的衍生产品,专为XMC微控制器设计。这种基于Windows的应用程序软件允许在运行期间写入和读取XMC内存,而不会中断,以优化应用程序。使用μC/ Probe XMC,用户可以生成自己的GUI界面。使用拖放功能可以轻松定位和查看图形组件。全局变量和存储器内容可以通过4通道数字存储示波器实时监控。可以使用目标代码简单地启用示波器,目标代码还确定采样率的配置或缓冲存储器的大小。

对于各种应用或功率范围,目前可以将两个不同的控制器板与六个不同的电源板组合在一起。其中一个控制器板基于XMC1302 MCU,而另一个控制选项可用于基于IRMCK099M的控制器板。针对电机驱动器优化的功率级基于紧凑型集成功率模块,分别提供250V和500V型号。这些模块包括三相逆变器,包括高压栅极驱动器和具有低导通电阻的MOSFET。

如果使用XMC1302控制器卡,则已安装FOC软件或可通过Internet下载。控制卡硬件设计用于支持霍尔传感器或创新的3D磁传感器。XMC1302控制卡采用带有Segger J-Link技术的板载调试器。可以通过Infineon的免费DAVE集成开发环境(IDE)或其他ARM IDE(例如Keil,IAR或Atollic)实现其他应用软件。IRMCK099控制卡随附独立的隔离调试接口卡。控制器交付时已预编程,带有无传感器FOC固件。MADK控制器板和六个不同的电源板均可通过英飞凌或全球分销商单独购买。还提供了四种不同的套件,将XMC1302控制板与μIPMIRSM836或μIPM-DIP IRSM505系列(500V或250V选件)的四个电源板之一相结合。英飞凌将逐步扩展其控制器和逆变器板的产品,例如高达1kW。

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