电机效率被谁“偷”走了？如何将高效节能的应用优势发挥到极致

工程苗小兵

先楫资深FAE工程师

电力电子与电力传动专业硕士研究生，一个从事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的电机驱动和电源控制经验，专注电力电子控制方向。

概 述

随着我国经济的不断发展，在工业、交通运输、建筑等各领域中的用电需求不断增加，而这些领域中的用电设备又主要是各种电机，在目前我国的电力系统中，电机的总装机容量已经超过了6亿千瓦，为了促进节能减排目标的实现，2006年制定了国家标准GB18613-2006，将中小型电动机的能效等级划分为1级（超高效电机），2级（高效电机）、3级（标准电机），3个能耗标准。国家能源标准的实施是为了进一步推动高效产品的发展。针对国家节能要求，对电机驱动也提出了更高的需求，驱动效率低不仅增加系统能耗，而且加大散热成本，甚至增加体积和重量从而会导致产品品质降低。

电流带宽

电机控制器损耗，主要包含功率开关器件的导通损耗和开关（开通和关断）损耗。导通损耗与电机功率和开关器件选型有关，降低导通损耗只能选用更高性能的功率开关管，势必大幅增加成本，限制开关频率是在不提高系统成本的前提下提高效率的最优方案。

降低开关频率势必影响到电机驱动器的另一个体现了电机驱动器的动态性能的关键指标：带宽。伺服控制系统的带宽表示系统对输入命令（位置、速度或转矩）变化的响应速度。

系统中的每个控制环路都有自己的带宽，在级联控制环路中，最内层环路（电流控制）应该具有最高的带宽。下一个环路（速度控制）会有更低的带宽，在某些应用中，速度环路带宽可以比当前环路带宽低一个数量级。最外层环（位置控制）的带宽可以比速度环低一个数量级。

最优策略

目前通用的220V电压伺服的开关频率大约是8-16kHz，其中大部分工作在8kHz。在算法上，我们希望能在不提高开关频率的前提下，尽可能提高电流带宽。根据奈奎斯特定理，理论上的电流带宽最高为开关频率的1/2。

提高电流带宽和优化效率产生了矛盾。

目前最优的办法是通过中心对齐PWM，在前半波和后半波分别修正占空比，实现单载波调节两次占空比从而提高电流带宽。通过hpm6200的高算力，可在1us内完成整个电流环计算，在电流采样结束后可以立即更新PWM比较器寄存器，实现计算即更新的高效控制效果。

如何实现

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多电机同步

HPM6280有丰富的外设资源，最多可同时支持4台电机驱动控制。下图展示了通过SYNT定时器实现了4电机同步，每个电机的PWM相差90°相位，功率管开关时刻均匀分布在一个周期。

SYNT定时器有四个同步比较器，输出4个同步信号经四个电机单元的互联管理器分别送到各自PWM模块的同步输入端。

PWM中心对齐

PWM 控制器的支持28 (24 +4) 位分辨率计数器，支持向上计数模式。多达 24 个比较器，支持用作输出比较，支持为每个输出通道灵活地分配数目不等的比较器，灵活控制输出信号，生成例如边沿对齐 PWM、左右不对称的中央对齐 PWM 以及更复杂的输出信号。

下图是在通道 0（CH0REF）和通道 1（CH1REF）输出上生成中心对齐相移 PWM 的例子。

下图是中心对称函数和对应配置。

PWM双更新触发

影子寄存器控制是在 CPU访问寄存器的时候，实质上改变的是它的影子寄存器，新值并不马上生效。只有在指定的时刻，才把影子寄存器的值更新到寄存器影子寄存器。这可以确保 PWM 在时序控制时确保动作一致，防止在非正常状态下数据更新，导致输出产生毛刺、波形异常。

比较器的影子寄存器更新有4种选择：软件把 SHCR [SHLK] 位置 1 生效，实时生效，定时器的某一个 CMP 发生匹配后生效，影子寄存器重载触发输入 SHRLDSYNCI 生效。

PWM双更新选用两个比较器配置成中心对齐模式，一组PWM输出占用两个比较器，在PWM周期的前半波和后半波分别动作。其中，前半波的影子比较器更新条件为重载触发输入 SHRLDSYNCI，后半波影子比较器更新条件为 CMP 发生匹配后生效。

将匹配比较器生效把选中的比较器 的值设为与 周期/2 ，达到半个 PWM 周期后更新影子寄存器的目的。中心对齐模式种两个比较器在周期/2 、周期分别更新。

ADC双更新

ADC16支持的转换模式包括：支持读取转换模式、支持周期转换模式、支持序列转换模式、支持抢占转换模式。其中抢占转换模式支持12 组抢占转换序列，触发信号分别来自于芯片的片上互联模块，共 12 个抢占触发源，适用于多电机同步触发。

PWM中通道 8 参考输出中通道 15 参考可以用于触发ADC转换。ADC转换会受到功率开关时的开关噪声干扰，建议ADC转换时选用PWM中心对齐的周期和周期/2处。

多电机同步触发ADC时要避免多电机同一时刻触发同一个AD转换导致转换失败。

小 结

综上所述，我们可以得出以下结论：

HPM6200具备4个PWM模块可以实现1拖4电机控制。

HPM6200具备高速运算能力，通过PWM双闭环控制可以使电流环带宽达到载波频率/2，在不提高开关频率的前提下提高带宽，可以实现<1us的电流环控制，达到计算即更新的高效控制效果。

ADC双采样配合PWM双更新，能够让先楫HPM6200系列产品在伺服系统中更加明显地发挥高效节能应用优势。