实现革命性突破的电机控制技术

——德州仪器半导体事业部MCU业务拓展经理吴健鸿解读采用FAST™ 软件编码器算法的InstaSPIN™-FOC电机控制解决方案

今天，更可靠、更高效电机的趋势日益明朗，据分析全球年电机产量110亿部，且呈增长态势；电机功耗占到了全球总功耗的45%，而提高电机驱动型系统的效率有望使全球电力消费降低9%到14%。另外，欧盟委员会已通过指导意见，要求在设计阶段减少电机和驱动器对环境的影响。因此，为了实现高可靠性、低成本和高效率，业界正从有刷向三相无刷电机以及有传感器向无传感器转型。

电机控制影响多种应用

为了顺应上述趋势，德州仪器（TI）宣布推出较新InstaSPIN™-FOC（磁场定向控制）解决方案。公司半导体事业部MCU业务拓展经理吴健鸿详细介绍了该方案的特点和优势。

提高电机系统可靠性与效率的挑战

虽然无传感器FOC电机技术可带来许多系统优势，但许多行业都因缺乏电机控制系统知识而不得不延迟采用和推广这些技术。在传统FOC电机设计中，采用转子传感器既会增加成本（需要传感器、电源、特殊布线与连接器、安装以及维护），还可能会降低可靠性（恶劣条件下性能退化、出现电气噪声、容易受温度和湿度影响），从而对系统造成不利影响。此外，在封闭式压缩机或大型牵引设备等众多应用中采用传感器也是完全不切实际的。

InstaSPIN-FOC不但可帮助设计人员简化开发，降低系统成本与复杂性，即便是电机控制经验有限的设计人员也能游刃有余，而且还可实现出色的解决方案，提高所有可变速度及负载电机应用中的电机效率、性能与可靠性。

大幅缩短设计时间

InstaSPIN-FOC可帮助电机控制系统设计人员在5分钟乃至更短的时间内识别、调节并通过可变速度及负载全面控制任何类型的三相同步或异步电机，无需花费数周乃至数月的时间来调节电机控制系统，他们现在可集中精力进行差异化设计。这种新型技术不仅无需机械电机转子传感器，可降低系统成本，而且还可通过嵌入在TI 32位C2000™ Piccolo™ 微控制器上只读存储器（ROM）中的较新软件编码器（无传感器观察器）算法 FAST™ （通量、角度、速度和转矩）来改进工作。InstaSPIN-FOC归属此前推出的InstaSPIN-BLDC技术，今后还将推出各种InstaSPIN解决方案，让电机控制开发更简单高效。

InstaSPIN-FO技术的特性与优势

首先，它可以将设计时间缩短数月：由于识别和控制调节几乎是全自动的，因此设计人员可在全电机转矩的基础上为其产品功能实现差异化；

性能接近编码器：采用嵌入式片上FAST观察器算法对各种使用条件下的通量、角度、速度和转矩进行可靠、稳健估算。有了准确的无传感器“估算器”，大多数情况下无需物理编码器；

支持所有三相电机：同一解决方案支持同步（BLDC、SPM与IPM）和异步（ACI）；

识别与调节：离线电机调试可识别所需的电机电气参数，调节FAST算法，并初始化电流控制器，从而可确保稳定的工作。此外，还提供可选在线电阻再评估模式，其可在较恶劣条件下跟踪高稳健观察器性能的变化；

可避免启动难题：支持内建启动模式和不足一个电气周期的观察器角度锁定，可避免其它无传感器技术的启动难题；

低速性能：可在低于1Hz（典型值）全转矩稳定状态下保持角度完整性，支持零速逆转和失速状态下的顺利失速恢复；

能实施单函数调用，增加灵活性：可将FOC转矩控制器（从相同ROM支持多达2个电机）或完全定制的FAST控制系统作为电机传感器；

支持较高效的电机定型：内建磁场控制，可提供手动或自动磁场减弱（速度更高）或手动磁场加强（转矩更高）应用；

可节省大量能源：适用于采用PowerWarp™ 模式的感应电机，可在不立即需要转矩时避免能量浪费；

轻松开发、快速评估：通过MotorWare^TM 使用较新电机控制库（模块、驱动器、系统示例与文档），其可提供面向对象、基于API的较新C语言编码技术。可通过TI较新免费GUI Composer工具进行实验室仪表检测。

支持InstaSPIN™-FOC的Piccolo™ F2806x

客户非常满意

德州仪器的的客户对InstaSPIN™-FOC非常满意。致力于开发技术、生产设备的Contronics公司成功推出的高效雾化系统可帮助超市将能耗降低80%，将食品保鲜时间延长一倍。此外，Contronics多年来一直提供通风设备控制器，并因所推出的新产品CoMoCo智能电机控制将为其产业实现变革而深感振奋。其采用TI Piccolo微控制器和 InstaSPIN-FOC技术，内建PowerWarp™ 模式始终可将电流消耗控制在较低水平，使280W的风扇功耗不足10W的同时，还能保持速度和所需的气流不变。

Royal Dutch Gazelle是全球历史较悠久、较受尊敬的自行车制造商之一。电动助力自行车已占据其消费类产品销售额的20%。基于TI Piccolo微控制器的InstaSPIN™-FOC解决方案为该公司提供了极其稳健的低速高转矩性能，帮助他们在没有机械转子传感器解决方案的高成本与低可靠性问题的情况下，获得更静音的更小巧直驱电机。电机识别和自动调节功能帮助他们快速检测新型电机，更重要的是，可确保他们的电机驱动系统正常工作。这样，工程师就可集中精力进行创新，例如利用FAST™ 软件编码器的独特、极高分辨率速度与转矩信号实现尽可能多的自行车骑手增强功能。

e-Traction是一家汽车电气解决方案专业公司，致力于为巴士、垃圾车以及乘用车等各种专业车辆提供电动马达和驱动解决方案，旨在提高电动传动系统的效率，减少二氧化碳排放、噪声和污染，以及对化石燃料的依赖。TI Piccolo微控制器与InstaSPIN™-FOC和FAST™ 软件编码器的完美结合，可实现全新的车辆电气化世界，提供一款能够在任何电机类型、功率范围以及可变速度与负载条件下正常工作的统一无传感器解决方案。该公司使用相同软件解决方案支持高电压变流异步泵、压缩机以及起动器发电机。而且他们还从我们的乘用车和巴士同步轮毂电机上取消了机械转子传感器，这不仅可消除主要开发问题源，同时还可提高安全性与可靠性。由于InstaSPIN-FOC的转矩控制非常出色，所以可将其工作重心放在系统通信与诊断、产品增强功能以及较新发明创造上，让世界变得更清洁、更绿色环保、宜居。

完善的支持

吴健鸿表示，InstaSPIN-FOC现已开始供货，通过可随时投入生产的90MHz、32位浮点Piccolo F2806xF微控制器提供。InstaSPIN-FOC在不久的将来将会运用到其它几款Piccolo微控制器中。设计人员可采用低电压低电流电机控制套件（DRV8312-69M 套件）、低电压大电流电机控制套件（DRV8301-69M 套件）或高电压电机控制套件（TMDSHVMTRINSPIN）启动其较新InstaSPIN-FOC电机设计。如果设计人员此前已经购买了TI电机控制开发套件，他们可订购支持模块化InstaSPIN™-FOC的Piccolo controlCARD（TMDSCNCD28069MISO）。

从通用型超低功耗MSP微控制器到Stellaris® Cortex™-M微控制器，再到实时控制C2000™ 微控制器，乃至Hercules™ 安全微控制器，TI为设计人员提供较全面的微控制器解决方案。通过充分利用TI全面的软硬件工具、广泛的第三方产品及技术支持，设计人员可加速产品上市进程。

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