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2017年12月15日星期五
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瑞萨应用于马达控制的MCU产品

Renesas's MCUs Applied to Motor Control Fields

Renesas


马达控制基础

马达及其控制技术在日常的生产和生活中有着极为广泛的应用。首先,马达控制技术在家用电器、家用器具等家庭应用中甚为广泛,如用于电梯、空调、风扇、热风器、冰箱、洗碗机、洗衣机、吸尘器、吹风机、烘干机、按摩椅、电动剃须刀等等。另外,马达技术在交通运输工具、工厂设备方面同样有着广泛的应用,如交通运输工具方面的电动列车、电油混合汽车、电动自动车以及燃料电池汽车等;工厂应用方面的机器人、各种泵类、焊接机、换能器、交流伺服设备、搬运车辆等等。这些应用都要用到马达及其控制技术。

图1对马达技术的发展进行了简要回顾。图中,矩形长条代表各类马达出现并开始得以应用的时间;星号、虚线和细实线则表示某一类马达相关科学原理发现、马达的构想和马达的研发时间段等。直流马达最早于1832年由享利发明,而感应马达是在1883年由特斯拉发明,直到1957年半导体技术的商品化,马达技术开始普遍采用先进的电子技术。

直流马达一般由永磁体做成的定子、缠有线圈的转子、电刷、整流子构成。永磁体和线圈产生的吸力和斥力使马达旋转,定子线圈中的电流由电刷和整流子自动改变。而直流无刷马达的工作原理是让线圈固定,让永磁体旋转。为使永磁体旋转,必须交替地将电流送到线圈里。这种马达不需要电刷,但需要一定的控制电路,如变频器等。由于直流无刷马达具有高效、易控制的优点,它正被越来越广泛地用于诸如风扇马达之类的应用中。

图1 马达技术的发展回顾(略)

在实际应用中,要控制无刷马达,必须要知道马达转轴即转子所处的角度或位置。磁极的位置信息一般使用诸如霍尔集成电路传感器之类的位置传感器来获取。图2和图3分别给示出有/无位置传感器下的120度马达驱动框图。

图2 带位置传感器的120度马达驱动原理图(略)

如图2所示,右上方是被驱动的直流无刷电机,它带有用霍尔集成电路构成的位置感应器;左上方是变频器,它的输出驱动马达,而变频器的输入即控制信号为三相PWM信号。图2下面的部分为MCU,MCU产生变频器的控制信号即三相PWM信号,同时MCU通过其端口或输入捕获电路或中断去接收霍尔集成电路给出的位置信号。

由于马达的旋转是由电流和磁场引起的,而马达的旋转也会产生电压,这个电压又称为反电动势。马达转动越快,产生的反电动势也越大。利用这一特性可以实现无位置传感器的马达驱动。120度无位置传感器驱动技术的工作原理便是利用电压传感器而不是霍尔集成电路之类的位置传感器来获取转轴的位置信息,它通过检测马达产生的反电动势来获取转轴的位置。所谓“无传感器”指的是去掉了位置传感器,但需要附加上电压传感器,习惯上仍称为“无传感器”。

如图3所示,与前面的有位置传感器驱动方式有所不同,它没有了由霍尔集成电路构成的位置传感器,但其中加入了三个电压比较器,比较器将比较结果送入MCU,MCU据此估算转轴位置进而调整PWM输出。

图3 无位置传感器的120度马达驱动原理(略)


瑞萨用于马达控制的MCU产品路线图

图4、图5分别为瑞萨应用马达控制的MCU产品系列分布图和产品开发路线图。瑞萨马达控制MCU产品分为16位、32位两类。图4中紫色椭圆形区域代表家电应用,灰色椭圆形区域代表办公自动化和工作应用。
瑞萨的16位产品中有工作频率为20MHz、带有乘法器和少量存储器、小引脚数的R8C/Tiny系列,也有工作频率为20MHz、带有PWM定时器的H8/300H Tiny系列和M16C/Tiny系列,以及引脚数稍多、工作在20~30MHz、带有片内乘法器和PWM定时器的M16C/62P及M32C/80等产品。
32位产品中有工作频率为50~100MHz、能进行32位乘/累加操作、带有PWM定时器的Super H(SH-2),和工作在200MHz、具有32位乘/累加操作和PWM定时器的Super H(SH-2A)等产品。

图4 瑞萨马达控制MCU产品系列分布图(略)

图5 瑞萨马达控制MCU产品路线图(略)

瑞萨应用于马达控制的MCU产品开发路线是(1)低端产品:现有产品为R8C/11,13,目前正在开发一些功能较强的R8C/24,25,计划开发中的产品有R8C/ASSP等。(2)中端产品:现有产品为M16C系列的26、28和62P,正在开发的是提速的M16C/Tiny,计划开发的是进一步提速并增强外围功能的下一代M16C/Tiny。中端现有产品还有SH/7046;正在开发的是SH7146和SH/Tiny。(3)高端产品:现在产品为SH/7049和SH/7047,目前正在开发的是它们的提速产品SH/7149。


马达控制解决方案开发

为了便于用户开展基于瑞萨MCU的马达控制方案的研究开发,瑞萨提供了一种基于其MCU产品的马达控制解决方案的演示装置,该装置除了提供电源、变频器等电器部分外,还包括一个带编码器的永磁同步马达和一块采用M16C/Tiny的控制板(可换成R8C/Tiny)。它的基本特点是:

(1)可实现无位置传感器及矢量控制算法;

(2)支持R8C/Tiny和M16C/Tiny,将来还支持SH2/Tiny;

(3)可提供演示程序;

(4)具有带编码器的30W永磁同步马达;

(5)转速范围为500~3000rpm;

(6)可采用有传感器和无传感器控制;

(7)可选择180度、120度以及V/f控制方法;

(8)适用领域为空调、洗衣机、冰箱等家电应用,以及交流伺服马达等工业控制应用等。

更多详细内容,敬请登录中电网在线座谈网址:http://seminar.chinaecnet.com/060627/jchf.asp。


问答选编


问:在家电应用中,针对风扇马达,有哪些方法降低风 扇的噪音?

答:(1)在升速或降速过程中,要避开共振频率;(2)另外 在频率转换中,要避免转换幅度过大;(3)可以利用 180度控制方法。

问:120度控制和180度控制有何不同?在应用上要注 意什么问题?

答:(1)120度控制的原理是基于直流电机控制原理,它 用在控制负载不是很大的情况下。
(2)180度控制更适合直流无刷电机控制。
(3)180度控制比120度有更好的控制性能和低噪音。

问:用于马达控制是否就是该MCU含有PWM模块?

答:不是的,其实许多场合需要DA功能。

问:M16C/Tiny(16-bit)采用什么指令格式?控制方式是 开环还是闭环?如果是开环方式如何保证控制精度? 答:M16C/Tiny是RISC指令。控制方式开环,精度由其 算法保证。

问:马达产生的电噪音会干扰MCU的操作,Renesas的 M16C和SH7149是如何解决这一问题的?

答:我们的MCU在芯片设计中,增添了抗干扰设计, 例如在芯片内部增加了滤波处理。

问:TRV直流步进电机2通道驱动与单通道驱动有什么 区别?3霍尔电机与单霍尔电机在控制上有什么区 别?MCU如何控制步进电机计算出相应的步距, 并移动对应的 step?

答:3霍耳电机主要区别在于用于测速的霍耳元气件的 数量。至于控制步进电机的问题可以找一些相关 的资料,这里主要涉及变频应用。

问:有用在DVD上的马达控制芯片吗?

答:实际上DVD或硬盘上的马达就是小型直流无刷马 达,瑞萨的M16C/Tiny或R8C系列都是适用的。

问:和通常控制用的MCU相比,用于马达控制的MCU 有什么特殊的性能?

答:其特殊性就在于对马达的控制,至少需要用于产生 PWM的相关定时器。

问:家用系列和工业系列从设计上有什么区别,换句话 说设计用于家用的产品,如果功能满足,可以用在 工业上吗?

答:首先是控制对象不同,家用和工业需要不同的马 达;根据不同的马达,又有不同的控制方式。当然, 环境和品质要求也不一样。瑞萨有针对工业和家 用的全系列MCU产品。

问:是否有交流矢量马达控制芯片?

答:有,请参考R8C、M16C和SH系列。

问:直流马达的功率控制范围大概是多少?是不是主 要针对较高端的应用?

答:(1)功率控制范围大概是0.20~15KW。(2)不是,应 用的范围非常广泛。

问:该MCU的工作频率范围以及产生的用于控制电机 的频率范围是多少?

答:R8C/tiny、M16C/tiny时钟频率是20MHz,用于电机控 制的频率取决于实际的应用系统,V/F的载波频率能 达到10kHz。

问:MCU在接地方面有何特殊要求?

答:(1)用地线把时钟区隔离起来;(2)晶振外壳接地并固 定;(3)对于不用的引脚要做特殊处理,例如将该引 脚加电阻上拉或下拉。

问:和瑞萨马达控制MCU芯片兼容的驱动放大器有几 种类型?不同类型的接口是否不同?

答:我们的MCU可直接驱动IPM。有必要时可以加光 耦隔离。

问:瑞萨的芯片能避免IGBT上下同时导通吗?

答:我们的MCU都有专用的死区控制定时器,能够轻 松地防止上下同时导通。

问:瑞萨的MCU产品是否在交直流电机的控制系统中 均能运用,如何用于速度、电流双闭环控制,和卷绕 系统的张力控制?

答:是的,均可以采用。通过采集马达电流和速度,能 实现转矩控制,从而达到张力控制。

问:什么是软启动和硬启动?两种启动有什么不同?

答:(1)使用软启的动时候,晶闸管的输出电压逐渐增 加,电动机逐渐加速,直到晶闸管全导通。(2)硬启 动则相反。

问:瑞萨马达控制MCU内部是否有高精度振荡器? 精度能达到多高?如果用外接晶振,有什么要 求?

答:在R8C系列中有高精度振荡器,比如R8C/24/25 有 内置40MHz、3%的晶振。外接没有特别要求。


《世界电子元器件》2006.9
         
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