為了實現高可靠性、低成本和高效率，目前，電機控制應用設計人員正在從傳統(tǒng)的通用或交流(AC)電機設計轉換到更為成熟的無刷直流(BLDC)電機或永磁同步電機(PMSM)設計。然而，如果設計人員不能有效獲得高級、復雜的電機控制算法，不管選擇哪一種方法都具有挑戰(zhàn)性，甚至會導致巨大的研發(fā)資源支出及更長的設計時間。

從AC電機轉向BLDC電機

飛兆半導體BLDC產品線市場經理簡文烯告訴本刊記者，在發(fā)展中國家，電機消耗的能量占據工業(yè)能源使用的60%~70%,電機驅動電器(洗衣機、空調、風扇等)占據總體家庭功耗的70%左右。因此，在全球，減少電子系統(tǒng)中電機使用的能量，成為了當前業(yè)界急待解決的首要問題。

簡文烯對比了傳統(tǒng)的AC電機和BLDC電機之間的優(yōu)劣，AC電機工作效率只有35%,有噪聲，體積比BLDC電機大，重量多出33%~50%.旋轉速度受限于AC頻(50Hz/60Hz)，并且不可調節(jié); 工作時溫度會高達90℃，用途單一，壽命短。而BLDC電機的效率高達90%,旋轉速度采用線性控制，根據工作負荷可自動調節(jié)，工作溫度為40℃~45℃，應用范圍廣泛且壽命長。簡文烯指出，如果電子設計工程師要將AC電機控制轉換成BLDC/PMSM解決方案，同樣也會遇到新的挑戰(zhàn)，比如說，以往傳統(tǒng)電機設計的工程師對電機的硬件比較了解，而缺乏對電子控制算法和將復雜的數學計算轉換為軟件編碼的經驗和專有技術等等。

因此，電機設計工程師希望有新的解決方案能夠提供模塊化的先進電機控制軟件庫，能最大限度減少軟件設計工作，但是仍然提供可編程的系統(tǒng)控制和通信接口，用于實施附加功能，提供硬件保護和穩(wěn)健的模擬控制器。簡文烯指出，飛兆正是針對市場上這種需求，推出了用于BLDC電機控制的新架構。

用于BLDC電機控制的新架構

簡文烯介紹說，為幫助設計人員應對這些成本和軟件負擔，飛兆半導體開發(fā)了FCM8531模擬及數字集成式電機控制器。FCM8531是一款三相混合BLDC/PMSM控制器，具有兩個并行處理器，一個是先進的電機控制器(AMC)，另一個是嵌入式微控制器(MCU)。該產品針對復雜的電機控制應用提供了一個完整的單芯片解決方案。這兩個核心處理器獨立工作，但可通過有助于避免系統(tǒng)掛機并增強硬件保護的內部通信接口協(xié)作進行數據交換。FCM8531通過其集成式硬件控制器和MCU接口管理功能最大限度地減少軟件負擔，并實現了更高效且快速的負載響應電機系統(tǒng)。據了解，AMC專用于電機控制，由一個基于硬件的電機控制器外加一個可以配置為數種專用電機控制算法的可配置處理內核。嵌入式MCU是流程控制和通信接口的中心，管理速度控制面板、遙控裝置或LED燈指示器等功能;主要職責是MCS 51兼容MCU處理器向AMC提供電機控制指令，執(zhí)行電機控制行動，并且管理外部通信接口(圖1)，AMC與MCU之間的MSFR是一個專用功能寄存器，是MCU至AMC間的構建平臺。

那么，這種混合架構是如何工作的呢?簡文烯解釋，AMC能夠適用各種電機設計，使用可配置和存儲的飛兆半導體庫執(zhí)行功能強大的算法，如正弦波控制、磁場定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制，以提供高性能電機控制功能。 與AMC配對使用的MCU接口使用戶能輕易改變寄存器的值，滿足不同電機操作流程及特點的要求。該器件非常適合于解決無速度傳感器風扇應用中的啟動抖動，以及各種風扇和泵應用中的噪聲和低效率問題。FCM8531具有多種硬件保護功能，如過壓保護和過流保護。其設計考慮及提供對所有故障模式的快速響應，同時嵌入式MCU可輕易地實現額外功能。

可配置混合架構的優(yōu)勢

簡文烯強調，飛兆這種模擬及數字集成式電機控制器混合架構的特點與優(yōu)勢主要體現在，一是具有最少的軟件工作。使用集成式MCU的AMC能最大限度地減少軟件負擔，并提供靈活的設計適應性。通過使用飛兆配置和存儲在AMC中的軟件庫，AMC可以執(zhí)行FOC和DQ控制等強大算法，MCU僅需要簡單的系統(tǒng)控制軟件編程。[!--empirenews.page--]

二是可靠性高。AMC和MCU均獨立工作，相互之間不會產生干擾，并行處理器避免了系統(tǒng)掛機，并提供更高的系統(tǒng)可靠性。

三是有很穩(wěn)健的性能。硬件中基于AMC的實時逐周期電流保護檢測PWM信號，并且在μs內關斷PWM信號以防止系統(tǒng)損壞。

與此同時，在先進的電機控制軟件庫中，有能夠適應各種不同的電機設計，AMC可以配置不同的軟件庫。例如，AMC軟件現有：(1)速度積分：無傳感器FOC軟件庫用于具有靜載的應用，比如臺扇、空調扇和吊扇等。(2)滑動模式：無傳感器FOC軟件庫用于具有動態(tài)負載的應用，比如水泵、油泵和壓縮機。(3)霍爾接口：用于霍爾傳感器電機控制系統(tǒng)的具有方波/正弦波驅動的軟件庫。

飛兆還開發(fā)了易于使用的開發(fā)工具，為用戶提供電機控制開發(fā)系統(tǒng)(MCDS)IDE和MCDS編程工具套件。該系統(tǒng)與處理核心一起提供一個集成式軟件工程平臺，有利于快速開發(fā)電機控制程序。當與MCDS編程工具套件一起使用時，可快速完成代碼編程，從而可實時調整電機運行信號。

FCM8531可配置混合電機控制器

簡文烯說，FCM8531可配置混合電機控制器是一款易于使用的完全集成解決方案，帶有完整的開發(fā)工具和先進的電機控制軟件庫，可以實現極快的上市速度。在AMC中，整合有可配置處理內核、角度預測器和PWM引擎(內含SAW發(fā)生器、PWM發(fā)生器、SVM發(fā)生器、PWM調制和超前角控制)。在嵌入式MCU中，有先進的指令架構、兼容的MCS 51、存儲器容量為12KB Flash編程存儲器，以及256+1KB SRAM數據存儲器;有多達17個GPIO和擴展的16位乘/除單元、全雙工串行接口(UART)和IC接口、串行外設接口(SPI);有三個外部中斷、三個16位定時器和可編程15位看門狗定時器，內置上電重置(POR)及時鐘發(fā)生器支持OCDS和ISP.

簡文烯強調，除AMC和MCU之外，飛兆半導體的完整電機解決方案還提供了用于電機系統(tǒng)的所有主要功能構件，其中包括：BLDC控制器、集成式PWM控制器、功率因數校正(PFC)控制器、SPM智能功率模塊、IGBT/MOSFET、HV柵極驅動器和光耦合器(圖2)。正是這種整體解決方案提供了極高的電源效率和系統(tǒng)可靠性，同時降低工程開發(fā)時間及系統(tǒng)成本，簡化了從交流電機到BLDC/PMSM設計的轉換。

簡文烯認為，FCM8531可配置混合電機控制器是硬件和軟件集成的理想解決方案，可廣泛應用于無傳感器IPM/SPM BLDC/PMSM電機、風扇、泵、電動工具以及電動自行車等。