“現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)越來越復雜，除通用功能外，還需許多專用的電機驅(qū)動和在線測試功能。無感控制是電機控制技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要方向，對電機參數(shù)的在線高精度辨識能夠使得無感控制系統(tǒng)發(fā)揮最佳的控制效果，并且實現(xiàn)對電機健康狀況的無感在線檢測。同時多核的架構(gòu)能夠使得電機控制芯片以較低的成本實現(xiàn)高性能的控制?！?a target="_blank">峰岹科技首席技術(shù)官畢超博士在11月2日由Aspencore舉辦“2023國際集成電路展覽會暨研討會(IIC)”的CEO峰會上發(fā)表看法。
電子工程專輯訊 “現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)越來越復雜，除通用功能外，還需許多專用的電機驅(qū)動和在線測試功能。無感控制是電機控制技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要方向，對電機參數(shù)的在線高精度辨識能夠使得無感控制系統(tǒng)發(fā)揮最佳的控制效果，并且實現(xiàn)對電機健康狀況的無感檢測。同時多核的架構(gòu)能夠使得電機控制芯片以較低的成本實現(xiàn)高性能的控制。”峰岹科技首席技術(shù)官畢超博士在11月2日由Aspencore舉辦“2023國際集成電路展覽會暨研討會(IIC)”的CEO峰會上發(fā)表看法。峰岹科技首席技術(shù)官畢超博士以“高性能電機控制芯片的多核架構(gòu)”為主題，分享了現(xiàn)代電機技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)，以及峰岹科技所研發(fā)出的多核架構(gòu)的電機控制芯片。
畢超博士曾發(fā)表過專著一部和180多篇學術(shù)論文。由于畢超博士在高性能電機方面所取得的成就，獲得2006年新加坡最高科技成果獎 (National Technology Award)。近年來，他的研究致力于高性能電機技術(shù)的研發(fā)和運用，包括高性能電機電磁設(shè)計、高速電機技術(shù)、微型電機技術(shù)、驅(qū)動控制、精密檢測技術(shù)和電機應(yīng)用，范圍涉及電機理論和電機工程、驅(qū)動系統(tǒng)、電磁場技術(shù)、芯片設(shè)計、生物工程以及能源工程等。
現(xiàn)代電機技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域正在對電機產(chǎn)生越來越嚴格的要求，比如對環(huán)境的高魯棒性，高效率，高功率因素，高功率密度，強容錯能力，低噪音和振動, 低制造成本等;而新的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷出現(xiàn)并且對電機有更加新的、特殊的要求，比如機器人、航空航天、電動汽車、無人機、醫(yī)療、新能源、移動設(shè)備、環(huán)保等。這些都將對電機設(shè)計、電機生產(chǎn)、功能材料、電機控制和傳感技術(shù)提出挑戰(zhàn)。
電動汽車的普及給汽車電機市場帶來了大幅增長，現(xiàn)代汽車往往需要超過100個電機使用量，與此同時，汽車等應(yīng)用場景對電機的高可靠性和健康檢測等提出新的要求。而人形機器人(足移式機器人)的自由度(DOF)較高，例如要模擬人類手掌的動作就需要27個DOF，而每一個DOF就意味著一個伺服控制系統(tǒng)。機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展會在多個領(lǐng)域引起了巨大的變革，從制造業(yè)到醫(yī)療領(lǐng)域，再到日常生活都有著巨大的潛在市場。在機器人的運動控制中，伺服電機扮演著重要角色。
說到機器人，機器人控制系統(tǒng)與電機控制系統(tǒng)間有什么區(qū)別?畢超博士表示，“很多人問我‘到底機器人控制系統(tǒng)和電機系統(tǒng)是一樣東西還是不一樣的東西?’。它們是不一樣的東西，但彼此間有密切的聯(lián)系?！?br />簡單來說，機器人控制系統(tǒng)是決定機器人運動的系統(tǒng)，其涉及機械、動力學、控制理論和計算機技術(shù)等領(lǐng)域。電機控制系統(tǒng)是機器人控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)。機器人控制系統(tǒng)接到作業(yè)指令后，首先分析解釋指令，確定各DOF的運動參數(shù), 然后進行運動學、動力學和分析運算，最后得出各DOF的協(xié)調(diào)運動參數(shù)。這些參數(shù)傳輸至相應(yīng)關(guān)節(jié)的電機控制器，作為其控制指令信號。電機控制器是能夠以預(yù)定的控制模式使得電機完成所要求運動的裝置，其典型的控制包括電機的啟停、轉(zhuǎn)向、速度、角度/位置、轉(zhuǎn)矩/力等。電機控制器也需要通訊、保護和狀態(tài)監(jiān)測等功能。電機控制器接到主控系統(tǒng)的控制指令后，把被控電機以最短的時間和最少的能耗調(diào)至主控系統(tǒng)所需要的狀態(tài)，并且在調(diào)整過程中，與傳感器系統(tǒng)配合，把電機狀態(tài)的信息發(fā)給主控系統(tǒng)。
電機控制也和傳感技術(shù)密切相連，對傳感技術(shù)的需求包括高精度、高速響應(yīng)、適用于高速運行、魯棒性好、具有現(xiàn)代通訊能力、適應(yīng)寬溫度的運行環(huán)境、價格低。由于成本、可靠性和體積方面的因素，近幾年，使用無感技術(shù)來取代傳感器的功能成為一個非常受到關(guān)注研究方向。
畢超表示，“由現(xiàn)代電機控制技術(shù)所發(fā)展出的無感控制技術(shù)，以計算和分析來取代物理傳感器的角色，這又是一個難度較大的控制技術(shù)，要求使用高性能的MCU。如何以高性能價格比的產(chǎn)品來實現(xiàn)電機的無感控制，這更加是非常具有挑戰(zhàn)的事情?！?br />在線參數(shù)辨識在電機控制中的重要性
畢超認為，無感控制是永磁同步電機(PMSM)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要方向，需要研發(fā)出高精度的Observer。而高精度Observer實現(xiàn)的基礎(chǔ)是高精度的電機參數(shù)。高精度的參數(shù)辨識也可以用于對電機健康狀態(tài)的檢測。
在穩(wěn)態(tài)狀況下的無刷主流電機的等效電路上，有3個電機參數(shù)要辨識：電機繞組的等效電阻 R，等效電感 L，和反電勢常數(shù) Ke (Ke=E/n)。多參數(shù)的辨識使得計算模型的建立變得很困難，所建立的模型往往具有高非線性度。在使用無感控制時，在電機運行過程中，只能取得三相電流和電壓的瞬時值。如何從這些值中辨識出電機的參數(shù)?電機參數(shù)的高精度在線辨識的計算量非常大，而電機參數(shù)會隨著環(huán)境、負載及環(huán)境的變化而改變。
此外，高性能價格比是決定控制方案能否被市場接受的因素。
多核架構(gòu)電機控制芯片將成為更高性價比的產(chǎn)品發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)的電機控制芯片架構(gòu)是用單核來處理控制過程中的所有的信號處理，數(shù)據(jù)處理和計算以串行的方式進行。但是高性能和多目標的電機控制需要高性能處理器，對芯片的制程工藝要求很高，因此芯片的成本較高。
為了實現(xiàn)高性能價格比的電機控制芯片，峰岹科技采用了雙核的概念，數(shù)據(jù)和信號的處理是由2個內(nèi)核分擔。用一個專用的ME內(nèi)核 (Motor Control Engine) 以硬件的方式專門處理FOC和DTC等控制算法。多核架構(gòu)將是峰岹科技發(fā)展高性能價格比的電機控制芯片的重要手段。
畢超表示，“專用芯片的主要問題在于它的通用性不強。現(xiàn)在峰岹產(chǎn)品的應(yīng)用場景非常之多，包括機器人、車載、家用電器，每一個應(yīng)用場景的要求不大一樣，所以專用芯片帶來的問題就是通用性不足。怎么解決這個問題?峰岹的做法就是再加一MCU內(nèi)核，用一個通用的MCU內(nèi)核來實現(xiàn)電機控制以外的信號處理，例如通信、保護和閉環(huán)控制，讓整個芯片的靈活性大大加強。
參數(shù)的高精度在線辨識有利于電機控制器的有效和穩(wěn)定運行。除了電參數(shù)，越來越多的其他參數(shù)也需要辨識。高精度的在線參數(shù)辨識也可以用于電機健康狀態(tài)的檢測。但辨識的參數(shù)越來越多，算法越來越復雜，解算速度要求越來越成為瓶頸。畢超表示，隨著對參數(shù)辨識的精度要求越來越高，可以考慮再加一個專用內(nèi)核對參數(shù)進行高精度識別?！坝?個核并行處理不同的任務(wù)，并且對執(zhí)行結(jié)果進行通訊和分析”。畢超表示，“今后市場上的多核架構(gòu)的電機控制芯片應(yīng)當會越來越多。但一個新架構(gòu)的電機控制芯片是否成功，取決于市場的因素。高性能價格比永遠是電機控制芯片研發(fā)所追求的目標”。