“現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，除通用功能外，還需許多專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和在線測(cè)試功能。無(wú)感控制是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要方向，對(duì)電機(jī)參數(shù)的在線高精度辨識(shí)能夠使得無(wú)感控制系統(tǒng)發(fā)揮最佳的控制效果，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)健康狀況的無(wú)感在線檢測(cè)。同時(shí)多核的架構(gòu)能夠使得電機(jī)控制芯片以較低的成本實(shí)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(guó)際集成電路展覽會(huì)暨研討會(huì)(IIC)”的CEO峰會(huì)上發(fā)表看法。
電子工程專輯訊 “現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，除通用功能外，還需許多專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和在線測(cè)試功能。無(wú)感控制是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要方向，對(duì)電機(jī)參數(shù)的在線高精度辨識(shí)能夠使得無(wú)感控制系統(tǒng)發(fā)揮最佳的控制效果，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)健康狀況的無(wú)感檢測(cè)。同時(shí)多核的架構(gòu)能夠使得電機(jī)控制芯片以較低的成本實(shí)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(guó)際集成電路展覽會(huì)暨研討會(huì)(IIC)”的CEO峰會(huì)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(jī)控制芯片的多核架構(gòu)”為主題，分享了現(xiàn)代電機(jī)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(jī)控制芯片。
畢超博士曾發(fā)表過(guò)專著一部和180多篇學(xué)術(shù)論文。由于畢超博士在高性能電機(jī)方面所取得的成就，獲得2006年新加坡最高科技成果獎(jiǎng) (National Technology Award)。近年來(lái)，他的研究致力于高性能電機(jī)技術(shù)的研發(fā)和運(yùn)用，包括高性能電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、高速電機(jī)技術(shù)、微型電機(jī)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制、精密檢測(cè)技術(shù)和電機(jī)應(yīng)用，范圍涉及電機(jī)理論和電機(jī)工程、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電磁場(chǎng)技術(shù)、芯片設(shè)計(jì)、生物工程以及能源工程等。
現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域正在對(duì)電機(jī)產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)格的要求，比如對(duì)環(huán)境的高魯棒性，高效率，高功率因素，高功率密度，強(qiáng)容錯(cuò)能力，低噪音和振動(dòng), 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(duì)電機(jī)有更加新的、特殊的要求，比如機(jī)器人、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、醫(yī)療、新能源、移動(dòng)設(shè)備、環(huán)保等。這些都將對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)生產(chǎn)、功能材料、電機(jī)控制和傳感技術(shù)提出挑戰(zhàn)。
電動(dòng)汽車(chē)的普及給汽車(chē)電機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)了大幅增長(zhǎng)，現(xiàn)代汽車(chē)往往需要超過(guò)100個(gè)電機(jī)使用量，與此同時(shí)，汽車(chē)等應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電機(jī)的高可靠性和健康檢測(cè)等提出新的要求。而人形機(jī)器人(足移式機(jī)器人)的自由度(DOF)較高，例如要模擬人類手掌的動(dòng)作就需要27個(gè)DOF，而每一個(gè)DOF就意味著一個(gè)伺服控制系統(tǒng)。機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展會(huì)在多個(gè)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(chǎng)。在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中，伺服電機(jī)扮演著重要角色。
說(shuō)到機(jī)器人，機(jī)器人控制系統(tǒng)與電機(jī)控制系統(tǒng)間有什么區(qū)別?畢超博士表示，“很多人問(wèn)我‘到底機(jī)器人控制系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)是一樣?xùn)|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。”
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，機(jī)器人控制系統(tǒng)是決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，其涉及機(jī)械、動(dòng)力學(xué)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域。電機(jī)控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)。機(jī)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(yùn)動(dòng)參數(shù), 然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和分析運(yùn)算，最后得出各DOF的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。這些參數(shù)傳輸至相應(yīng)關(guān)節(jié)的電機(jī)控制器，作為其控制指令信號(hào)。電機(jī)控制器是能夠以預(yù)定的控制模式使得電機(jī)完成所要求運(yùn)動(dòng)的裝置，其典型的控制包括電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向、速度、角度/位置、轉(zhuǎn)矩/力等。電機(jī)控制器也需要通訊、保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。電機(jī)控制器接到主控系統(tǒng)的控制指令后，把被控電機(jī)以最短的時(shí)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(guò)程中，與傳感器系統(tǒng)配合，把電機(jī)狀態(tài)的信息發(fā)給主控系統(tǒng)。
電機(jī)控制也和傳感技術(shù)密切相連，對(duì)傳感技術(shù)的需求包括高精度、高速響應(yīng)、適用于高速運(yùn)行、魯棒性好、具有現(xiàn)代通訊能力、適應(yīng)寬溫度的運(yùn)行環(huán)境、價(jià)格低。由于成本、可靠性和體積方面的因素，近幾年，使用無(wú)感技術(shù)來(lái)取代傳感器的功能成為一個(gè)非常受到關(guān)注研究方向。
畢超表示，“由現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)所發(fā)展出的無(wú)感控制技術(shù)，以計(jì)算和分析來(lái)取代物理傳感器的角色，這又是一個(gè)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(jià)格比的產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)感控制，這更加是非常具有挑戰(zhàn)的事情。”
在線參數(shù)辨識(shí)在電機(jī)控制中的重要性
畢超認(rèn)為，無(wú)感控制是永磁同步電機(jī)(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(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是高精度的電機(jī)參數(shù)。高精度的參數(shù)辨識(shí)也可以用于對(duì)電機(jī)健康狀態(tài)的檢測(cè)。
在穩(wěn)態(tài)狀況下的無(wú)刷主流電機(jī)的等效電路上，有3個(gè)電機(jī)參數(shù)要辨識(shí)：電機(jī)繞組的等效電阻 R，等效電感 L，和反電勢(shì)常數(shù) Ke (Ke=E/n)。多參數(shù)的辨識(shí)使得計(jì)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(wú)感控制時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，只能取得三相電流和電壓的瞬時(shí)值。如何從這些值中辨識(shí)出電機(jī)的參數(shù)?電機(jī)參數(shù)的高精度在線辨識(shí)的計(jì)算量非常大，而電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著環(huán)境、負(fù)載及環(huán)境的變化而改變。
此外，高性能價(jià)格比是決定控制方案能否被市場(chǎng)接受的因素。
多核架構(gòu)電機(jī)控制芯片將成為更高性價(jià)比的產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)
傳統(tǒng)的電機(jī)控制芯片架構(gòu)是用單核來(lái)處理控制過(guò)程中的所有的信號(hào)處理，數(shù)據(jù)處理和計(jì)算以串行的方式進(jìn)行。但是高性能和多目標(biāo)的電機(jī)控制需要高性能處理器，對(duì)芯片的制程工藝要求很高，因此芯片的成本較高。
為了實(shí)現(xiàn)高性能價(jià)格比的電機(jī)控制芯片，峰岹科技采用了雙核的概念，數(shù)據(jù)和信號(hào)的處理是由2個(gè)內(nèi)核分擔(dān)。用一個(gè)專用的ME內(nèi)核 (Motor Control Engine) 以硬件的方式專門(mén)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(jià)格比的電機(jī)控制芯片的重要手段。
畢超表示，“專用芯片的主要問(wèn)題在于它的通用性不強(qiáng)。現(xiàn)在峰岹產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景非常之多，包括機(jī)器人、車(chē)載、家用電器，每一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的要求不大一樣，所以專用芯片帶來(lái)的問(wèn)題就是通用性不足。怎么解決這個(gè)問(wèn)題?峰岹的做法就是再加一MCU內(nèi)核，用一個(gè)通用的MCU內(nèi)核來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制以外的信號(hào)處理，例如通信、保護(hù)和閉環(huán)控制，讓整個(gè)芯片的靈活性大大加強(qiáng)。
參數(shù)的高精度在線辨識(shí)有利于電機(jī)控制器的有效和穩(wěn)定運(yùn)行。除了電參數(shù)，越來(lái)越多的其他參數(shù)也需要辨識(shí)。高精度的在線參數(shù)辨識(shí)也可以用于電機(jī)健康狀態(tài)的檢測(cè)。但辨識(shí)的參數(shù)越來(lái)越多，算法越來(lái)越復(fù)雜，解算速度要求越來(lái)越成為瓶頸。畢超表示，隨著對(duì)參數(shù)辨識(shí)的精度要求越來(lái)越高，可以考慮再加一個(gè)專用內(nèi)核對(duì)參數(shù)進(jìn)行高精度識(shí)別。“由3個(gè)核并行處理不同的任務(wù)，并且對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行通訊和分析”。畢超表示，“今后市場(chǎng)上的多核架構(gòu)的電機(jī)控制芯片應(yīng)當(dāng)會(huì)越來(lái)越多。但一個(gè)新架構(gòu)的電機(jī)控制芯片是否成功，取決于市場(chǎng)的因素。高性能價(jià)格比永遠(yuǎn)是電機(jī)控制芯片研發(fā)所追求的目標(biāo)”。