電機設(shè)計、電機制造、材料、電機控制和傳感器技術(shù)等各種技術(shù)的進步推動了現(xiàn)代電機的發(fā)展。因此，電機的應用范圍越來越廣，特別是在醫(yī)療設(shè)備、汽車電器和移動機器人等新應用領(lǐng)域。近年來，電機控制技術(shù)的進步一直是推動電機技術(shù)發(fā)展的最重要因素，但由于電機控制相關(guān)的高技術(shù)壁壘，如電機的電磁原理、信號處理、數(shù)字芯片、模擬芯片和功率半導體等，電機控制芯片的發(fā)展面臨諸多技術(shù)瓶頸， 特別是在實現(xiàn)專用電機控制芯片方面。

許多傳統(tǒng)電機，例如不需要調(diào)速的感應電機，可以使用交流電 （AC） 直接驅(qū)動，而無需電子控制系統(tǒng)。然而，現(xiàn)代機電系統(tǒng)往往需要調(diào)節(jié)電機運行，電子控制器已成為電機系統(tǒng)中關(guān)鍵且不可或缺的一部分，使電機能夠達到所需的運行條件，如速度、位置、轉(zhuǎn)向、扭矩和功率。

現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)除了需要實現(xiàn)所需的工作狀態(tài)外，還需要實現(xiàn)許多附加功能，例如能夠以低能耗、高效率和低噪音實現(xiàn)所需的調(diào)節(jié)效果，所需的通信模式以及有效保護電機系統(tǒng)的能力。新的要求仍在不斷涌現(xiàn)。

電機控制系統(tǒng)需要各種有源電子設(shè)備，包括主控制芯片、預驅(qū)動器、功率半導體和傳感器。傳統(tǒng)的電機控制芯片采用單核MCU對控制信號進行處理，通過芯片中存儲的編碼程序?qū)崿F(xiàn)所需的控制模式，然后根據(jù)控制模式的要求輸出控制電壓或電流，最終實現(xiàn)所需的電機運行狀態(tài)。

當所需的控制功率較大（例如10Kw或更大）時，控制芯片的尺寸和價格通常不是決定控制系統(tǒng)市場接受度的主要因素。但是，對于電機功率較低的應用，情況就不同了。例如，在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散熱風扇應用中，這是一個很大的市場，單個電機控制芯片包含MCU、前驅(qū)動器和低功耗半導體，這使得在一個簡單的印刷電路板上實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)成為可能;請參見圖 1 所示的示例。當應用需要幾百到 1 Kw 的功率時，例如空調(diào)換氣扇，可以使用帶有 MCU、預驅(qū)動器和大功率 MOSFET 的 IPM（智能電源模塊）;請參見圖 2 中的示例。在這兩種應用中，控制器的尺寸和成本效益往往決定了產(chǎn)品在市場上的成敗。就數(shù)量而言，低功率電機控制器的市場比大功率電機控制器大得多。因此，低功耗電機應用是推動電機控制芯片發(fā)展的主要市場，尤其是專用電機控制芯片。

圖 1：具有雙電機和控制器的服務(wù)器冷卻風扇

圖2：空調(diào)通風機的控制系統(tǒng)

與使用軟件和通用DSP控制電機不同，專用電機控制芯片是專門為電機控制應用開發(fā)的。它以固件的形式固化了控制算法，并將所需的高速運算放大器、比較器、LDO 和許多其他外設(shè)集成到芯片中。因此，使用專用電機控制芯片的系統(tǒng)，特別是在低功耗系統(tǒng)中，具有較少的電子元件，并且控制系統(tǒng)的PCB看起來更緊湊。

機器人目前正處于顯著的發(fā)展階段?，F(xiàn)代機器人通常具有 40 多個“自由度”（DOF），這意味著“機器人”使用許多低功率電機和執(zhí)行器系統(tǒng)1。另一方面，現(xiàn)代汽車通常使用 40 多個電機2，其中大部分是低功率電機。在這兩種情況下，電機系統(tǒng)（包括控制芯片）的尺寸和成本效益都非?？量?！

無傳感器控制：電機控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢

許多應用對電機尺寸和可靠性有嚴格的要求。如果在電機中使用磁傳感器（例如霍爾傳感器）來檢測轉(zhuǎn)子位置，則電機的結(jié)構(gòu)會變得復雜，從而不利于電機的可靠性和壽命。

“無傳感器控制”利用控制器中的“觀察者”算法而不是物理位置傳感器來計算電機的轉(zhuǎn)子位置，同時根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和控制模式（例如FOC模式）調(diào)整電機定子繞組中的電流和電壓，以控制電機的狀態(tài)。這種控制方法消除了對額外物理角度傳感器的需求，因此可以大大簡化電機結(jié)構(gòu)并提高其可靠性。然而，無傳感器控制需要高性能的觀察器，如滑動膜觀察器、自適應觀察器或基于可擴展卡爾曼濾波算法的觀察器。使用這些觀察器需要大量的計算，并對MCU提出了高性能要求。電機控制技術(shù)和半導體硬件的進步導致在電機系統(tǒng)中越來越多地使用無傳感器控制。在適用場景中，無傳感器控制由于對磁鐵的磁化誤差不敏感，往往能比基于傳感器的控制實現(xiàn)更好的控制，并且可以完全避免因安裝而產(chǎn)生的傳感器位置誤差，這種控制方式已成為電機控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。許多高性能的驅(qū)動模式，如FOC（磁場定向控制），也可以通過無傳感器控制來實現(xiàn)。

圖3：帶霍爾傳感器的無刷直流電機控制框圖

圖4：無傳感器控制模式的無刷直流電機控制框圖

在線識別參數(shù)和監(jiān)測運動健康狀況：新挑戰(zhàn)

具有高精度和魯棒性的“觀察者”是實現(xiàn)無傳感器控制的關(guān)鍵部分。這個“觀察器”實際上是一種算法，它使用電機的等效電路參數(shù)以及電機運行期間的電壓、電流和反向電動勢等電量信息來計算轉(zhuǎn)子位置。

圖5：無刷直流電機的等效電路

圖6：感應電機的等效電路

Table 1 Effect of temperature variation on a brushless DC motor Ke

表1溫度變化對無刷直流電機的影響K e

圖5所示為無刷直流電機的等效電路，該電路由3個參數(shù)組成：電機繞組等效電阻R、等效電感L和反電動勢常數(shù)K e （K e =E/n）。圖6所示為感應電機的等效電路，由7個參數(shù)組成：定子等效電阻R 1和漏感L 1 、轉(zhuǎn)子等效電阻R 2和漏感L 2 、勵磁效應電阻R Fe和電感X m ，轉(zhuǎn)子 速度 滑差 。

這些等效參數(shù)很難準確測量。例如，在更簡單的無刷直流電機等效電路中，電感L隨轉(zhuǎn)子位置而變化。不僅如此，所有這些參數(shù)還隨著驅(qū)動電壓、電機轉(zhuǎn)速、電機負載和環(huán)境溫度的變化而變化。因此，在許多應用中，需要實時在線識別電機參數(shù)以實現(xiàn)高性能無傳感器控制。

除了高性能無傳感器電機控制外，高精度參數(shù)識別的在線結(jié)果還可用于檢測電機健康。 表 1 顯示了電機反電動勢常數(shù) K e 和電阻 R 隨溫度的變化。這種關(guān)系可用于模擬電機溫度和參數(shù)之間的關(guān)系，因此該模型可用于通過無傳感器模式實時檢測電機內(nèi)部的溫度。這種在線檢測對于許多應用都很重要，因為無需溫度傳感器和將傳感器安裝在電機中，就可以降低電機系統(tǒng)的成本和尺寸。同樣，參數(shù)變化包含有關(guān)磁體性能和絕緣條件的信息，這些信息也可用于了解電機的健康狀況。

多參數(shù)識別模型在計算上非常困難，特別是因為它們往往是高度非線性的。參數(shù)越多，識別起來就越困難。當采用無傳感器控制時，在電機運行過程中只能獲得三相電流和電壓的瞬時值，在線參數(shù)識別變得非常困難。識別過程是計算密集型的，需要 MCU 的高性能。

隨著工業(yè)和家用產(chǎn)品的快速發(fā)展，電機控制芯片面臨著越來越多的待處理任務(wù)。如果仍然使用傳統(tǒng)單核架構(gòu)的電機控制芯片來應對這一挑戰(zhàn)，則必須采用先進的芯片工藝來實現(xiàn)具有高密度單元的MCU，使芯片能夠高速處理電機控制模式并執(zhí)行參數(shù)識別等任務(wù)的計算。然而，這種處理會使芯片過于昂貴而無法被市場接受。

雙核架構(gòu)電機控制芯片

單核架構(gòu)的電機控制芯片只能在串行處理模式下進行多任務(wù)計算，越來越難以適應現(xiàn)代產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。因此，F(xiàn)ortior Technology 等公司紛紛開發(fā)出雙核架構(gòu)的電機控制芯片。圖 7 顯示了其采用雙核架構(gòu)的無刷直流電機控制芯片3。該芯片由一個專用內(nèi)核電機引擎 （ME） 和一個通用內(nèi)核通用處理器 （GPP） 組成。ME 側(cè)重于觀察者和電機控制模式的算法，而 GPP 用于處理通信、保護和閉環(huán)控制等通用任務(wù)。

芯片運行時，兩個內(nèi)核相互通信，進行任務(wù)分配和協(xié)調(diào)。這樣，許多操作可以并行處理，多任務(wù)處理大大加快。因此，雙核架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能電機控制芯片，而無需先進的芯片工藝。例如，在查看控制芯片的重要指標——單步FOC計算時間tFS時，F(xiàn)ortior Technology的雙核芯片實現(xiàn)了4.5m s的t FS，這比許多單核架構(gòu)的高性能電機控制芯片要快得多。

雙核架構(gòu)也使芯片避免了專用芯片缺乏靈活性的問題，大大拓寬了專用電機控制芯片的應用范圍。

圖 7：Fortior Technology 采用 Dule 核架構(gòu)的電機控制芯片

采用三核架構(gòu)的電機控制芯片

盡管現(xiàn)代電子設(shè)備對電機控制的要求越來越嚴格，但雙核架構(gòu)的專用電機控制芯片在許多應用中都勝任，包括簡單的電機參數(shù)識別。但是，如果需要控制更復雜的電磁結(jié)構(gòu)的電機，并實現(xiàn)更精確的參數(shù)識別，雙核架構(gòu)很難滿足控制要求。因此，三核架構(gòu)自然而然地成為電機控制芯片的新解決方案。

圖 8：采用三核架構(gòu)的無傳感器電機控制芯片

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結(jié)論

家用電器、工業(yè)應用等傳統(tǒng)電機應用領(lǐng)域發(fā)展迅速;車載電器、人工智能等新的應用領(lǐng)域也不斷涌現(xiàn)。所有這些都對電機系統(tǒng)提出了越來越復雜和苛刻的要求。基于傳統(tǒng)單核架構(gòu)的電機控制芯片已無法應對新出現(xiàn)的嚴峻挑戰(zhàn)，多核架構(gòu)的控制芯片應運而生。雙核架構(gòu)芯片已在許多領(lǐng)域成功應用，并顯示出其獨特的優(yōu)勢，可以利用無傳感器技術(shù)實現(xiàn)高性能的電機控制模式，完成復雜的多任務(wù)處理。雙核架構(gòu)電機控制芯片在性價比方面也具有很強的優(yōu)勢。當對電機控制芯片有更高的要求時，例如需要識別電機參數(shù)，在無傳感器模式下監(jiān)控電機的健康狀況，三核架構(gòu)自然成為高性價比電機控制芯片的首選。隨著電機控制任務(wù)變得越來越復雜，多核架構(gòu)將成為電機控制芯片技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。