中电网移动|移动中电网
 
 
中电网移动|移动中电网|高清图滚动区

详解运动控制3要素:芯片、算法和方案

引言

不管是当前火热的AI,机器人,物联网,风口有多大,运动控制是必要的组成部分。运动控制这里指的是用电机来控制机器的位置或速度。而在电机控制上,有三个方面的考虑因素,芯片性能,算法设计和系统解决方案。电机控制也是种类繁多,这里主要描述的是直流无刷电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM),这2种电机都可以用方波或者正弦波控制,对于充磁为正弦波的电机,使用正弦波控制静音效果会更好。

2019“华秋”第五届中国硬件创新大赛全国总决赛将于11月17日在深圳会展中心举办,大赛组委会为大家带来总决赛入围项目“江苏宏云”的专栏文章,人工智能,物联网?都离不开运动控制。

电机控制的主控芯片

电机控制的主控芯片通常用MCU或者DSP,方波控制对芯片的性能要求不高,对于要求不高的应用,8位MCU就够了,对于复杂的应用,就需要更高的性能的MCU,如32位MCU。无论是家电,或者其他行业应用,对无刷电机的要求大多在两点上,一个是节能,另外一个就是静音。用正弦波控制,也就是大家常说的FOC矢量控制,电机的电磁噪声比方波控制的噪声会小很多,达到真正的静音。要实现FOC矢量控制,FOC频率或者PWM频率通常要在16KHz以上,人耳不容易听到,这就要求主控芯片有足够的性能。FOC性能方面,当前主控芯片有如下几种形式:

1.

MCU+运算加速器,这里的MCU通常性能不高,性能用加速器来补充,加速器是指乘法器,除法器,CORDIC运算等等,典型的芯片如英飞凌的XC800系列,凌阳单片机。

2.

MCU+可编程引擎,类似于第一种形态,只是这种引擎一般由专用的可编程加速指令来实现,指令在20条左右,颗粒度大。典型的芯片如IR的IRMCF171,峰岹的6831等等。

3.

MCU+DSP,类似于第二种,只是这里的DSP是通用DSP,通常有100多条指令,也含有CORDIC指令等特殊指令,通用DSP,指令多,可编程灵活,典型的芯片如江苏宏云的JMT1808R和JMT1801ED。

4.

基于ARM Cortex M0的MCU,这种MCU以ST的030系列为主,国产兼容芯片也比较多,因为大多数是48MHz的M0,可以实现一些基本的FOC,复杂一些场景就有点力不从心了。

5.

基于ARM Cortex M3的MCU, 这种MCU以ST的STM32F103系列为代表,国产兼容芯片也比较多,M3的芯片大多在70MHz以上,能满足大部分FOC的性能要求。

6.

DSC芯片,这类型的芯片实际上的带有控制功能的DSP,典型芯片有IT的C2000,NXP的MC56Fxxxxx,Microchip的dsPIC33Fxxxx等等,性能比较高。

电机控制的算法

电机控制领域不是有了芯片就可以了,芯片只是提供需要的性能,而算法是芯片之外的,跟电机控制理论相关的,这也给芯片公司进入电机控制市场增加的门槛,只有芯片是不够的,还需要有足够领先的电机控制算法。

电机控制中,带有位置传感器的的控制为有感控制,有感控制在电动自行车领域用的比较多,还有些应用领域安装霍尔传感器困难,或者为了降低成本,用无感控制。有感控制比无感控制方便的地方是有了位置信息,无感没有位置信息,就要估计位置,所以无感的算法要求就高一些,除了位置相应的如角度,转速等等估计不同之外,其它的控制部分在有感和无感中是相同的。

无论是有感还是无感,控制方式常用的就两种,方波控制和正弦波控制(FOC矢量控制)。

无感控制在启动和低速时常会碰到困难,有时启动不了,有时带载无力。启动是无感控制的难点之一,这是因为电机启动时的位置不确定,而启动的角度跟实际角度不相同时,导致抖动和反转,以至于电机不能正常启动。为了解决启动问题,算法上先要找到电机起始的位置,常用的算法为变电感法,高频注入法等等。

方波控制因为成本低,使用非常广泛,正弦波控制因为静音,越来越受大家的喜爱。有些场合,如变频电风扇,空气净化器,新风系统,空调,冰箱等等都需要静音,正弦波控制成为必须。正弦波控制算法还可以通过弱磁技术来提高电机的转速,这个特点在变频洗衣机里得到发挥,如BLDC,DD(直驱)电机如果不用弱磁,转速根本就转不上去,利用弱磁算法,可以提升3.x倍的转速,一个不用弱磁在6000转左右的BLDC电机,弱磁后可以到20000转(电机四对极时,电转速到达8万多转)。

电机控制的方案

电机控制因为供电不同,应用场景不同,就会有不同的控制方案相对应。

1.

高压变频吊扇,国内大多用220V整流后到直流310V,也就是常说的高压吊扇,以隐形灯扇为例,因为静音,所以要用正弦波控制,另外启动要求不反转,不抖动,无感FOC要有定位算法,江苏宏云的吊扇方案使用JMT1808R DSP芯片,用高频注入定位,性能较高,在出口产品中使用较多。

2.

低压无感吊扇,低压吊扇(24V左右)在印度,东南亚国家使用较多,主要是那里的供电不稳,太阳能供电等原因,必须用低压电扇,低压吊扇方案上主要有峰岹的6831,江苏宏云的JMT1801ED。

3.

低压变频立扇,空气净化器等,这类方案以日本电产的电机为主,一般用有感正弦波控制,美的,艾美特,小米等都有大量出货,江苏宏云的芯片JMT5801在立扇上的应用表现出更高的性价比,展现出较好的竞争力。

4

扫地机,扫地机市场也在不断增加,当前很多扫地机的电机还是用的有刷电机,有刷电机的特点就是便宜,价格可以用斤称。但有刷电机不好的一面是转速低,也就是是吸力不够,牙签,豆子吸不起来,还有就是噪声大。扫地机的有刷转无刷也在进行中,无刷电机的转速可以到2万转,解决了吸力和噪声问题。江苏宏云的JMT5801芯片在扫地机正弦波控制领域因为性价比好,也有不错的表现。

5

手持吸尘器,手持吸尘器也算得上是个小风口,国产三相电机用的比较多,当前客户需求都需要用正弦波控制,吸尘器电机因为要求的转速高(8万转左右),电机相电感小,相电阻小,对FOC算法要求高,以至于要花非常多的精力来完善方案,花2年时间来做FOC吸尘器方案也不是夸张。客户要求用FOC的另外一个原因是在吸尘器上,FOC控制比方波控制的效率高出3%左右。在吸尘器效率测试上,江苏宏云的JMT1808R表现优异,以54.5%的高效率领先(注意这里是吸尘器堵孔13mm的效率,350W)。

6

筋膜枪,今年出现的另外一个小风口就是按摩枪,也叫筋膜枪,风靡了一阵子,筋膜枪方案开始大都是用方波控制的,现在到升级换代中,不少商家要求要做正弦波控制,减少电机的电噪声,江苏宏云的JMT5801芯片在筋膜枪的有感正弦波控制上也有不错的表现。

7

电动三轮车和电动自行车的应用已经非常普遍了,2轮车FOC方案基本上成了标配,而电动三轮车还是以方波控制为主,电动三轮车的FOC方案技术难点更大一些,江苏宏云的JMT1808R的电动三轮车控制在爬坡和能量回收方面有比较好的表现。

8

家电,家电行业以前都是由欧美大厂的芯片方案占领,近年来,家电行业转用国产芯片也有了开始,以滚筒洗衣机为例,有的家电厂家目前需要国产和国外芯片方案同时提供,这对于以前有的厂家明确规定不用国产芯片有不可同日而语。江苏宏云的JMT1808R芯片在洗衣机方案上,FOC控制加弱磁技术,在波轮和滚筒洗衣机的DDM,BLDC,DD控制方案上,全方位展开。

战无止境,创新不息

猜你喜欢
中电网移动|移动中电网|频道导航区