峰岹科技畢超：現代電機技術挑戰下，多核架構電機控制芯片的高性價比

電子工程專輯訊 “現代電機控制系統越來越復雜，除通用功能外，還需許多專用的電機驅動和在線測試功能。無感控制是電機控制技術發展和應用的重要方向，對電機參數的在線高精度辨識能夠使得無感控制系統發揮最佳的控制效果，并且實現對電機健康狀況的無感檢測。同時多核的架構能夠使得電機控制芯片以較低的成本實現高性能的控制。”峰岹科技首席技術官畢超博士在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峰會上發表看法。峰岹科技首席技術官畢超博士以“高性能電機控制芯片的多核架構”為主題，分享了現代電機技術面臨的新挑戰，以及峰岹科技所研發出的多核架構的電機控制芯片。

畢超博士曾發表過專著一部和180多篇學術論文。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的研發和運用，包括高性能電機電磁設計、高速電機技術、微型電機技術、驅動控制、精密檢測技術和電機應用，范圍涉及電機理論和電機工程、驅動系統、電磁場技術、芯片設計、生物工程以及能源工程等。

現代電機技術面臨的挑戰

傳統的應用領域正在對電機產生越來越嚴格的要求，比如對環境的高魯棒性，高效率，高功率因數，高功率密度，強容錯能力，低噪音和振動, 低制造成本等；而新的應用領域正在不斷出現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、醫療、新能源、移動設備、環保等。這些都將對電機設計、電機生產、功能材料、電機控制和傳感技術提出挑戰。

電動汽車的普及給汽車電機市場帶來了大幅增長，現代汽車往往需要超過100個電機使用量，與此同時，汽車等應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。機器人技術的迅猛發展會在多個領域引起了巨大的變革，從制造業到醫療領域，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，機器人控制系統與電機控制系統間有什么區別？畢超博士表示，“很多人問我‘到底機器人控制系統和電機系統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系。”

簡單來說，機器人控制系統是決定機器人運動的系統，其涉及機械、動力學、控制理論和計算機技術等領域。電機控制系統是機器人控制系統的子系統。機器人控制系統接到作業指令后，首先分析解釋指令，確定各DOF的運動參數, 然后進行運動學、動力學和分析運算，最后得出各DOF的協調運動參數。這些參數傳輸至相應關節的電機控制器，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、轉向、速度、角度/位置、轉矩/力等。電機控制器也需要通訊、保護和狀態監測等功能。電機控制器接到主控系統的控制指令后，把被控電機以最短的時間和最少的能耗調至主控系統所需要的狀態，并且在調整過程中，與傳感器系統配合，把電機狀態的信息發給主控系統。

電機控制也和傳感技術密切相連，對傳感技術的需求包括高精度、高速響應、適用于高速運行、魯棒性好、具有現代通訊能力、適應寬溫度的運行環境、價格低。由于成本、可靠性和體積方面的因數，近幾年，使用無感技術來取代傳感器的功能成為一個非常收到關注研究方向。

畢超表示，“由現代電機控制技術所發展出的無感控制技術，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，要求使用高性能的MCU。如何以高性能價格比的產品來實現電機的無感控制，這更加是非常具有挑戰的事情。” 

在線參數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）技術發展和應用的重要方向，需要研發出高精度的Observer。而高精度Observer實現的基礎是高精度的電機參數。高精度的參數辨識也可以用于對電機健康狀態的檢測。

在穩態狀況下的無刷主流電機的等效電路上，有3個電機參數要辨識：電機繞組的等效電阻 R，等效電感 L，和反電勢常數 Ke （Ke=E/n）。

多參數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？電機參數的高精度在線辨識的計算量非常大，而電機參數會隨著環境、負載及環境的變化而改變。

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。

多核架構電機控制芯片將成為更高性價比的產品發展趨勢

傳統的電機控制芯片架構是用單核來處理控制過程中的所有的信號處理，數據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，數據和信號的處理是由2個內核分擔。用一個專用的ME內核  (Motor Control Engine)  以硬件的方式專門處理FOC和DTC等控制算法。多核架構將是峰岹科技發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。現在峰岹產品的應用場景非常之多，包括機器人、車載、家用電器，每一個應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內核，用一個通用的MCU內核來實現電機控制以外的信號處理，例如通信、保護和閉環控制，讓整個芯片的靈活性大大加強。

參數的高精度在線辨識有利于電機控制器的有效和穩定的運行。除了電參數，越來越多的其他參數也需要辨識。高精度的在線參數辨識也可以用于電機健康狀態的檢測。但辨識的參數越來越多，算法越來越復雜，解算速度要求越來越成為瓶頸。畢超表示，隨著對參數辨識的精度要求越來越高，可以考慮再加一個專用內核對參數進行高精度識別。“由3個核并行處理不同的任務，并且對執行結果進行通訊和分析”。畢超表示，“今后市場上的多核架構的電機控制芯片應當會越來越多。但一個新架構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所追求的目標”。