峰岹科技毕超：现代电机技术面临挑战，多核架构电机控制芯片具有高性价比

“现代电机控制系统越来越复杂，除通用功能外，还需许多专用的电机驱动和在线测试功能。无感控制是电机控制技术发展和应用的重要方向，对电机参数的在线高精度辨识能够使得无感控制系统发挥最佳的控制效果，并且实现对电机健康状况的无感在线检测。同时多核的架构能够使得电机控制芯片以较低的成本实现高性能的控制。”峰岹科技首席技术官毕超博士在11月2日由Aspencore举办“2023国际集成电路展览会暨研讨会(IIC)”的CEO峰会上发表看法。
电子工程专辑讯 “现代电机控制系统越来越复杂，除通用功能外，还需许多专用的电机驱动和在线测试功能。无感控制是电机控制技术发展和应用的重要方向，对电机参数的在线高精度辨识能够使得无感控制系统发挥最佳的控制效果，并且实现对电机健康状况的无感检测。同时多核的架构能够使得电机控制芯片以较低的成本实现高性能的控制。”峰岹科技首席技术官毕超博士在11月2日由Aspencore举办“2023国际集成电路展览会暨研讨会(IIC)”的CEO峰会上发表看法。峰岹科技首席技术官毕超博士以“高性能电机控制芯片的多核架构”为主题，分享了现代电机技术面临的新挑战，以及峰岹科技所研发出的多核架构的电机控制芯片。
毕超博士曾发表过专著一部和180多篇学术论文。由于毕超博士在高性能电机方面所取得的成就，获得2006年新加坡最高科技成果奖 (National Technology Award)。近年来，他的研究致力于高性能电机技术的研发和运用，包括高性能电机电磁设计、高速电机技术、微型电机技术、驱动控制、精密检测技术和电机应用，范围涉及电机理论和电机工程、驱动系统、电磁场技术、芯片设计、生物工程以及能源工程等。
现代电机技术面临的挑战
传统的应用领域正在对电机产生越来越严格的要求，比如对环境的高鲁棒性，高效率，高功率因素，高功率密度，强容错能力，低噪音和振动, 低制造成本等;而新的应用领域正在不断出现并且对电机有更加新的、特殊的要求，比如机器人、航空航天、电动汽车、无人机、医疗、新能源、移动设备、环保等。这些都将对电机设计、电机生产、功能材料、电机控制和传感技术提出挑战。
电动汽车的普及给汽车电机市场带来了大幅增长，现代汽车往往需要超过100个电机使用量，与此同时，汽车等应用场景对电机的高可靠性和健康检测等提出新的要求。而人形机器人(足移式机器人)的自由度(DOF)较高，例如要模拟人类手掌的动作就需要27个DOF，而每一个DOF就意味着一个伺服控制系统。机器人技术的迅猛发展会在多个领域引起了巨大的变革，从制造业到医疗领域，再到日常生活都有着巨大的潜在市场。在机器人的运动控制中，伺服电机扮演着重要角色。
说到机器人，机器人控制系统与电机控制系统间有什么区别?毕超博士表示，“很多人问我‘到底机器人控制系统和电机系统是一样东西还是不一样的东西?’。它们是不一样的东西，但彼此间有密切的联系。”
简单来说，机器人控制系统是决定机器人运动的系统，其涉及机械、动力学、控制理论和计算机技术等领域。电机控制系统是机器人控制系统的子系统。机器人控制系统接到作业指令后，首先分析解释指令，确定各DOF的运动参数, 然后进行运动学、动力学和分析运算，最后得出各DOF的协调运动参数。这些参数传输至相应关节的电机控制器，作为其控制指令信号。电机控制器是能够以预定的控制模式使得电机完成所要求运动的装置，其典型的控制包括电机的启停、转向、速度、角度/位置、转矩/力等。电机控制器也需要通讯、保护和状态监测等功能。电机控制器接到主控系统的控制指令后，把被控电机以最短的时间和最少的能耗调至主控系统所需要的状态，并且在调整过程中，与传感器系统配合，把电机状态的信息发给主控系统。
电机控制也和传感技术密切相连，对传感技术的需求包括高精度、高速响应、适用于高速运行、鲁棒性好、具有现代通讯能力、适应宽温度的运行环境、价格低。由于成本、可靠性和体积方面的因素，近几年，使用无感技术来取代传感器的功能成为一个非常受到关注研究方向。
毕超表示，“由现代电机控制技术所发展出的无感控制技术，以计算和分析来取代物理传感器的角色，这又是一个难度较大的控制技术，要求使用高性能的MCU。如何以高性能价格比的产品来实现电机的无感控制，这更加是非常具有挑战的事情。”
在线参数辨识在电机控制中的重要性
毕超认为，无感控制是永磁同步电机(PMSM)技术发展和应用的重要方向，需要研发出高精度的Observer。而高精度Observer实现的基础是高精度的电机参数。高精度的参数辨识也可以用于对电机健康状态的检测。
在稳态状况下的无刷主流电机的等效电路上，有3个电机参数要辨识：电机绕组的等效电阻 R，等效电感 L，和反电势常数 Ke (Ke=E/n)。多参数的辨识使得计算模型的建立变得很困难，所建立的模型往往具有高非线性度。在使用无感控制时，在电机运行过程中，只能取得三相电流和电压的瞬时值。如何从这些值中辨识出电机的参数?电机参数的高精度在线辨识的计算量非常大，而电机参数会随着环境、负载及环境的变化而改变。
此外，高性能价格比是决定控制方案能否被市场接受的因素。
多核架构电机控制芯片将成为更高性价比的产品发展趋势
传统的电机控制芯片架构是用单核来处理控制过程中的所有的信号处理，数据处理和计算以串行的方式进行。但是高性能和多目标的电机控制需要高性能处理器，对芯片的制程工艺要求很高，因此芯片的成本较高。
为了实现高性能价格比的电机控制芯片，峰岹科技采用了双核的概念，数据和信号的处理是由2个内核分担。用一个专用的ME内核 (Motor Control Engine) 以硬件的方式专门处理FOC和DTC等控制算法。多核架构将是峰岹科技发展高性能价格比的电机控制芯片的重要手段。
毕超表示，“专用芯片的主要问题在于它的通用性不强。现在峰岹产品的应用场景非常之多，包括机器人、车载、家用电器，每一个应用场景的要求不大一样，所以专用芯片带来的问题就是通用性不足。怎么解决这个问题?峰岹的做法就是再加一MCU内核，用一个通用的MCU内核来实现电机控制以外的信号处理，例如通信、保护和闭环控制，让整个芯片的灵活性大大加强。
参数的高精度在线辨识有利于电机控制器的有效和稳定运行。除了电参数，越来越多的其他参数也需要辨识。高精度的在线参数辨识也可以用于电机健康状态的检测。但辨识的参数越来越多，算法越来越复杂，解算速度要求越来越成为瓶颈。毕超表示，随着对参数辨识的精度要求越来越高，可以考虑再加一个专用内核对参数进行高精度识别。“由3个核并行处理不同的任务，并且对执行结果进行通讯和分析”。毕超表示，“今后市场上的多核架构的电机控制芯片应当会越来越多。但一个新架构的电机控制芯片是否成功，取决于市场的因素。高性能价格比永远是电机控制芯片研发所追求的目标”。