设计无传感器FOC电机控制的一种快速而简单的方法

电机控制应用设计人员今天面临来自市场,竞争对手和监管机构的压力,要优化其系统的性能和效率,同时将电子系统的成本降到最低。从家用电器中的泵,风扇和压缩机到无人机和电动自行车等应用,都需要先进的控制系统,能够可靠地响应动态负载和电机速度的快速变化,同时保持最高水平的效率,同时满足其他应用要求,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)。但是,设计这样的系统需要先进的运动控制算法,软件优化,
带有专用外设的XMC 1300系列适用于低成本,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,能够运行PMSM电机的无传感器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适用于不同类型的设计者。XMC的目标客户是电机控制和嵌入式编程方面的专业人士,他们可以使用英飞凌提供的电机控制软件作为自己的电机控制和系统软件的基础。另一方面,iMOTION IRMCK099为那些没有足够电机控制知识的公司提供服务,或者他们的核心竞争力是基于系统级的。这些公司可以使用IRMCK099作为电机控制的交钥匙解决方案,同时关注系统级的差异化。
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多个产品,可满足广泛的应用需求。XMC1000衍生产品提供8 KB至200 KB闪存,高效的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入门级系列提供了基本的功能范围,以方便进入XMC世界。XMC1200系列还引入了其他应用特性,例如用于LED颜色和亮度控制的亮度和颜色控制单元(BCCU)以及电容式触摸控制和LED矩阵控制单元。XMC1300微控制器系列性能更高,增加了针对电机控制进行优化的接口和硬件模块。除了高性能的捕获和比较单元(CCU8)之外,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系列的这些特性使电机的传感器辅助和无传感器磁场定向控制成为可能。由于更快的CPU时钟和内置的预取缓冲区,最新的XMC1400系列可提供高达70%的性能提升。该系列还具有一个在工业环境中经常用作通信协议的CAN接口。整个XMC1000系列提供温度范围高达+105°C的变体。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系列的这些特性使电机的传感器辅助和无传感器磁场定向控制成为可能。由于更快的CPU时钟和内置的预取缓冲区,最新的XMC1400系列可提供高达70%的性能提升。该系列还具有一个在工业环境中经常用作通信协议的CAN接口。整个XMC1000系列提供温度范围高达+105°C的变体。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系列的这些特性使电机的传感器辅助和无传感器磁场定向控制成为可能。由于更快的CPU时钟和内置的预取缓冲区,最新的XMC1400系列可提供高达70%的性能提升。该系列还具有一个在工业环境中经常用作通信协议的CAN接口。整个XMC1000系列提供温度范围高达+105°C的变体。由于更快的CPU时钟和内置的预取缓冲区,最新的XMC1400系列可提供高达70%的性能提升。该系列还具有一个在工业环境中经常用作通信协议的CAN接口。整个XMC1000系列提供温度范围高达+105°C的变体。由于更快的CPU时钟和内置的预取缓冲区,最新的XMC1400系列可提供高达70%的性能提升。该系列还具有一个在工业环境中经常用作通信协议的CAN接口。整个XMC1000系列提供温度范围高达+105°C的变体。
对于许多工业应用,特别是高效的电机控制,需要高速,高精度的A / D转换器。XMC1000系列的A / D转换器可以配置为8,10和12位的分辨率。这可以使转换时间和分辨率针对应用进行优化。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,硬件控制的定序器来定义采样时间。

使用IRMCK099M控制器板实现替代电机控制,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转换)。它可以并行计算主CPU,从而可以更轻松,更精确地实现强大的算法,以实现面向电机的控制。另一个电机控制专用模块是可编程的POSIF接口,可以使用霍尔传感器和增量式编码器进行位置检测。由于可以同时记录相关数据,因此使用POSIF可以提高准确性,并简化各种应用软件。低通滤波器可抑制霍尔传感器和旋转编码器产生的噪声和干扰脉冲,从而导致错误的位置和/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,支持具有更复杂PWM信号生成的应用。这些功能与信号调理的多功能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电平系统。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是一款专用的运动控制IC,专门用于解决与先进的无传感器电机控制应用相关的复杂需求。与其他需要编程的电机控制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路或分路电流反馈,为内部和表面PMSM实现无传感器FOC。IRMCK099将所有主要系统元件集成在一个5 mm x 5 mm,32引脚QFN封装中,采用3.3 V单电源供电。内置的A / D转换器提供12位分辨率和2μs的转换时间,使其适用于精密应用。除了先进的A / D转换器,还有一个100 MHz的内部振荡器,无需外部时钟。Sigma Delta DAC提供双通道模拟输出,所有模拟输入都经过工厂校准。该器件还具有16 kB板载OTP存储器,并具有CRC存储器检查功能,该器件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。通过四个寄存器可选的控制输入,通过UART,模拟电压,频率或占空比支持电机速度和方向控制,提高了设计的灵活性。这确保了在各种应用程序中简化的接口。单分流重建功能允许通过一个外部分流器实现FOC控制所需的精确电流测量,从而使外部模拟和数字电路最小化。相移PWM消除了最小的脉冲限制,改善了低速时的电机启动,并降低了运行时的噪音。内置的安全和保护功能包括转子锁定保护和旋转检测控制输入前马达的任何旋转。

基于GUI的软件允许简单的参数化和调整。
 
与MCU或基于DSP的FOC设计相反,专用的iMOTION IC方法使得可以在没有任何编程的情况下实现运动控制设计。控制参数计算使用基于GUI的驱动器配置和设计工具(MCE Wizzard)执行。该工具具有简单的基于窗体的对话框GUI,可以以易于理解,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,还可以解释在何处找到必要的信息。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。强大的参数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,适用于功率范围在20W至300W之间的三相电机驱动(115/230 V)的可扩展开发平台。它包括控制器和电源板,用于无传感器或可选的传感器辅助控制。该套件可用于在不到一个小时的时间内实现功能完善的电机系统。开发人员只需将电路板连接到PC,电机和电源,下载,安装和参数化软件 - 电机就已经运行了。
提供的iMOTION MADK套件适用于各种电机控制设计。每个套件都包含一个内置或独立调试接口的控制板,以及一个带有整流器和EMI滤波器的完整功率级。还包括:用于参数化和调整的简单的基于GUI的软件(μC/ Probe XMC或MCE Wizzard / MCE Designer)的电机控制软件(预安装或可下载)。
完整的设计工具包,带有两个控制器板和四个不同的电源板(250V和500V)
 
μC/ Probe XMC是专为XMC微控制器设计的Micrium的μC/ Probe的衍生产品。这种基于Windows的应用软件允许在运行期间写入和读取XMC存储器而不中断,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实时监控,也可以借助4通道数字存储示波器进行监控。目标代码可简单地启用示波器,这也决定了采样速率的配置或缓冲存储器的大小。
对于各种应用或功率范围,目前有可能将两个不同的控制器板与六个不同的功率板组合在一起。其中一个控制器板是基于XMC1302 MCU的,而基于IRMCK099M的控制器板提供了另一个控制选项。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低导通电阻的MOSFET。
如果使用XMC1302控制器卡,FOC软件已经安装,或者可以通过互联网下载。控制卡硬件设计用于支持霍尔传感器或创新的3D磁性传感器。XMC1302控制卡具有带Segger J-Link技术的板载调试器。进一步的应用软件可以通过英飞凌的免费DAVE集成开发环境(IDE)或其他ARM IDE(如Keil,IAR或Atollic)来实现。随IRMCK099控制卡一起提供一个独立的调试接口卡。该控制器交付预编程无传感器FOC固件。英飞凌或全球分销商都可以单独购买MADK控制器板和六种不同的电源板。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)的四个电源板之一组合在一起。英飞凌将逐步扩大其控制器和逆变器板的供应,例如高达1kW。

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