引言

消費者希望電器能夠靜音運行，并具有更高的機械和電氣耐用性。即使手持工具、洗衣機、風扇以及暖通空調(HVAC) 單元等終端設備也是如此。

過去，改善聲學性能、動態行為和系統壽命的方法是改進機械設計，采用新材料，或者采用熱管理或高級控制策略。其中許多控制策略都需要跨多個器件進行實現：一個用于處理，另一個用于檢測，額外的器件用于信號調節或保護。雖然這些實現在技術上有效，但可能會跨硬件和軟件引入緊密耦合的依賴關系，增加延時和抖動，并且需要投入精力來進行集成和調整。

因此，面臨的挑戰已從實現系統性能目標轉向在不增加系統復雜性或成本的情況下實現這些目標。

使用統一的處理環境推動電機控制發展

在統一的處理環境中實現高級電機控制技術，例如無傳感器磁場定向控制 (FOC) 或振動補償，有助于顯著減少協調工作量，減少時序變化并實現更可預測的行為。從軟件角度來看，TI的F28E120SC等高度集成的實時控制微控制器 (MCU) 提供了統一的處理環境，設計人員可以使用該環境簡化電機控制應用中檢測、控制和驅動功能的實現。

這些 MCU 支持實時電機控制算法（例如無傳感器 FOC），當轉子位置很難估算時，可幫助設計人員在低速下滿足時序預算。更精確的電機控制使扭矩產生更平滑、振動更低和運行更靜音，無需依賴外部傳感器或專用的加速硬件。

圖 1 展示了典型電機控制設計中 F28E120SC MCU 的方框圖。

圖 1.典型電機控制設計中 F28E120x MCU 的簡化方框圖

從硬件的角度來看，這些 MCU 采用集成公式元件，包括高速模數轉換器 (ADC) 以及集成式可編程增益放大器和模擬比較器。這些集成式元件可幫助設計人員簡化系統信號鏈，從而實現低噪聲電流反饋，無需片外運算放大器或分立式模擬集成電路。

由于這種統一的控制架構不依賴于跨分立式器件手動協調時序，因此設計人員可以減少延時、抖動和系統管理時間。此架構還通過同步脈寬調制 (PWM) 和 ADC 觸發來改善系統響應，以使采樣與開關事件精確保持一致。

我們來看兩個示例，它們演示了統一處理環境對于電機控制的好處。

示例一 ：洗衣機中的電機控制

在洗衣機中，電機控制算法需要適應實際條件，例如開環啟動、旋轉周期內的突然負載不平衡、清洗階段不同的扭矩需求以及用于織物護理和甩干的精確速度和方向轉換。傳統架構通常依賴外部傳感器、模擬前端和自定義調優邏輯來平穩且靜音地管理這些轉換。

實時 MCU 將整個控制路徑整合到一個器件中。無傳感器 FOC 無需位置傳感器即可實現平穩可靠的啟動和加速。可以使用基于軟件的振動補償來減少桶不平衡和聲學噪聲，而不是僅依靠機械平衡。

更緊湊的確定性控制架構使得洗衣機電機控制器可以更靜音地運行、持續時間更長并且更易于制造。

示例二 ：HVAC 系統中的電機控制

HVAC 系統必須在空氣流量有限、布板空間緊湊且維護頻率不高的密閉且散熱受限的外殼中長時間運行電機。可靠、高效的系統包含電機控制功能，例如靜音啟動、穩定的氣流控制和高整體效率。

HVAC 系統可以采用與電器中相同的高級控制技術，但還具有熱穩定性和長占空比容差。無傳感器控制策略無需霍爾效應傳感器或編碼器，簡化了機械設計并提高了長期可靠性。F28E120SC 等 MCU 具有誤差校正碼保護的閃存存儲器和奇偶校驗保護的靜態隨機存取存儲器，可在長占空比期間提高系統性能。這些 MCU 的高帶寬 FOC 運行和死區時間補償有助于將總諧波失真降低多達 50%，從而實現更平穩的氣流控制和更靜音的運行。

即使開關頻率增加或熱條件變化，PWM 邏輯和 ADC 采樣在單個時鐘域內緊密同步也可實現一致的控制行為。然后，設計人員可以對壓縮機和風扇負載應用更嚴格的環路控制，調整開關轉換，以便顯著降低可聞噪聲，并且無需那些會因發熱或振動而承受應力的外部元件。

結語

對于需要在不同負載條件下控制行為需要保持可預測且高效的電機驅動應用，實時控制 MCU 將緊密的模數集成與以周期級精度進行的確定性高性能執行相結合，同時降低了設計成本。