设计高性能和低功耗的电机控制系统

FOC是一种针对使用永磁(PM)电机的系统而设计的重要技术。PM电机在白色家电中的普及度日益增加，它们具备更高的功率密度且不易磨损，因此效率非常高。

开发人员仅需提供几个矢量和旋转方向就可实现输出的实时信号更新。FOC等先进的控制机制是提高性能但不增加成本的重要技术。Piccolo架构大幅简化了对称PWM波形的生成。利用PiccoloMCU，开发者可以轻松引入更改精确的控制，同时仍然为PFC留出足够余量。事实上，TI是第一个以2–6美元的价格点在单芯片上同时支持PFC和FOC功能的公司。

功率因数校正

FC可确保电流波形遵循电压波形，不论负载或输入条件出现任何变化，它都能将输出直流电压调节为常量。当以有源数字方式执行PFC时，PFC能更加精确，并能消除电压和电流之间的所有相移。减少谐波电流含量非常具有吸引力，因为它表示已抽运且未使用的无功功率。功率因数的重要性在于这一事实：公用事业公司向客户提供伏安，却以瓦特计费。低于1.0的功率因数要求公用事业公司生产的伏安数大于提供实际功率（瓦特）所必需的最小伏安数。

此外，PFC还用于平缓功耗和调节输出电压。例如，当冰箱中的压缩机开启时，它会在电力网中产生巨大的负载，通常表现为压降。这类功率峰值和谐波会损害脆弱的电子系统。当系统达到峰值时，如果没有PFC，它们倾向于抽运未消耗的功率，因而会降低总效率。此外，即使是在动态负载下，PFC也能让直流总线电压保持稳定。

PFC对动力传动链下游也有进一步影响。由于电力公司需要生成更大的功率电容以适应峰值，因此，行业鼓励电子产品制造商采用PFC等技术来平缓功耗。在某些情况下，必须采用PFC - IEC 60730要求欧洲市场出售的白色家电中必须采用PFC。

PFC的模拟或无源实施被锁定为单个模式，对操作条件变化的反应能力有限。相反，有源或数字控制的PFC能作用于并适应操作条件的变化。例如，当空调即将打开压缩机时，PFC能在瞬时中断时主动补偿较大的负载。这不仅能减少生成的瞬态数量，还能使功率使用更为高效。数字PFC的灵活性也使开发人员可使用可能比PFC无源实施更复杂的PFC拓扑。

不可小觑高分辨率PWM和A/D转换器对有效PFC的重要性。维持模拟和数字域交汇处的信号完整性极其重要，因为这些交界处出现的任何错误都会降低性能。

多个电机的控制

许多系统都使用多个电机。例如，HVAC系统需要管理一台压缩机和一台风扇。大多数实施要求每个电机和其他电机使用独立的控制器以实施PFC。

C2000PiccoloMCU是第一种能够使用单芯片通过PFC管理两个电机的控制器。许多MCU没有为控制多个电机及执行主动PFC所需的计算能力或集成外设。例如，控制电机可能需要工作频率高达20KHz的控制回路。另一方面，PFC需要约为50至100KHz的工作频率。为了可靠地执行此类高频控制算法 - 这种情况下为两个控制电机和一个管理PFC - MCU必须能够在几乎无延迟的情况下迅速有效地处理计算。

控制多个电机的能力不仅可以降低系统成本，还可以提高总功率效率和性能。对于操作双电机的应用，两个电机都受相同MCU的控制，这一事实能够让控制器协调一台电机相对于另一台电机而言的加速速度。此外，由于两个电机都抽运相同的电流源，也可以对PFC实施进行协调以取得更佳结果。

无传感器控制

另一个潜在成本节约方面在于无传感器反馈。可使用建模技术来精确地确定电机位置或速度，而非使用速度和/或位置传感器。要控制PM无刷直流电机，位置和速度信息至关重要。在当今许多系统中，传感器都用于收集此数据，将此作为控制算法的输入。但是，从规模、成本、维护和可靠性角度来看，这些传感器并不具有吸引力。

对于某些应用，传感器绝对必要。例如，用于医院呼吸机的氧气泵需要足够的精度来确保固定流速。使用自定义电机时，创建精确的模型可能会非常困难。对于非常低速的系统应用，可能不存在足够的反馈来支持无传感器实施。

然而，对于许多应用（包括白色家电）而言，这种精度并非必要，因此，可引入无传感器控制以降低系统成本。例如，当永磁同步电机处于使用状态时，可使用名为滑模观测器的动态模型替代传感器，该观测器的实施既强大又简单。此外，可通过最坏情况下极低的速度误差实现较高的功率效率。

消除传感器的使用需要控制器模拟电机的状态，这样便能正确估算出相应的位置/速度。为了保持足够的模型精度，需要对电压进行精确的高频监控。对于这项工作，Piccolo MCU提供了集成的12位A/D转换器，可以为大多数应用提供正确的精度水平。

对于不需要传感器的应用，Piccolo MCU设计为支持正交编码器和测速发电机。对于需要编码器的应用，Piccolo器件包含集成的增强型正交编码器脉冲(QEP)，它可以自动将光编码器脉冲转换为速度和方向，同时仅使用两个数字输入和一个16/32位内部定时器寄存器。QEP是TI致力于通过降低系统复杂性来加快开发速度的另一个例子。通过自动处理脉冲解码并输出位置和速度，QEP让开发人员免去了必须亲自创建此代码的过程，这样，他们便能够集中精力让自己的应用与众不同。

Piccolo MCU的QEP在下述方面特别具有多用途性：它几乎可以连接任何正交编码器，包括需要时钟信号、生成自己的时钟信号以及不使用时钟的解码器。不采用QEP的MCU要求开发人员使用GPIO捕获脉冲，然后在软件进行解码，这种方式会使维持高频控制环路的实时可靠性复杂化。

存在各种类型的测速发电机；一些提供与电机速度成比例的直流电压。通过将某一Piccolo MCU的A/D转换器输入接口连接到测速发电机的输出接口，可以轻松计算出这一速度。对于使用简单霍尔效应传感器来输出若干电机每转脉冲数的低成本电机，软件驱动器通常会测量脉冲频率并跟踪电机方向。

Piccolo MCU可以使用其集成的增强型捕捉外设(eCAP)简化此软件驱动器的设计。eCAP触发霍尔效应脉冲上升沿和下降沿的关闭，并自动计算脉冲间的宽度和周期。此外，eCAP在需要读取之前能捕获多达四个脉冲。

降低系统成本

理想的系统可以将模拟和数字技术整合在一起，并充分利用某一价格点的可用处理能力。

Piccolo MCU架构背后的关键基础之一，是在单芯片上集成的功能的数量。通过在数字域执行任务，可以减少元件数。这直接降低了系统成本，提高了可靠性。不足之处是MCU必须能够具有成本效益地吸收增加的负荷。

在所有速度范围上实现有效控制，使开发者设计的电源器件的容量能够与应用需求达到最佳匹配，从而提高功率和成本效益。这也能带来更流畅的操作和更佳的性能，可减少影响工作寿命的转矩脉动和振动等问题。

对于无传感器应用，可以显著节省成本。不使用传感器除了可以从系统BOM中去除这些传感器外，还可以省去安装传感器接口。不仅制造商的系统更加便宜，故障点也减少了。

自我监测的价值远远超出仅将以前的模拟功能迁移到数字化实施。多达16个A/D通道，外加可编程自动序列发生器，简化了对整个系统中的不同电流、电压和传感器的监测过程。用于增加电机精度和性能的数据也可以用来诊断潜在问题。例如，通过观察机械振动的频谱，系统在故障早期即可以识别、预测系统故障并采取行动。