本文將討論一種更有彈性的馬達控制設計，該架構可用在許多馬達控制應用，並適用於不斷電系統(UPS)、頻率轉換器和各種電源等不同應用。
目前，工程師必須習慣在一個注重隨插即用(plug-and-play)設計策略的環境裡完成工作。舉例來說，多數主要的白色家電製造商，已開始將馬達控制器等重要的電子次系統視為一顆元件。這種做法能控制成本，使OEM廠的設計人員將注意力集中在各種加值功能，而不是浪費時間設計可外包給OEM供應商的各種功能。
隨插即用設計會對供應商造成額外負擔。而對電路設計人員來說，則意味著必須藉由經常組合各種次系統的方式，創造出更有彈性的設計。一般而言，這些設計的基本功能是由主要電路組件提供，另外還有一個或多個較小的組件提供量身設計的選用界面、功能和應用。
處理器的選擇對馬達控制應用極為重要，它可確保系統擁有足夠的彈性，以便以低成本提供充份的效能。這也是DSP應用日益廣泛的主要原因。
同時，設計人員也必須利用系統的彈性降低各種狀況下的製造成本。如果從試產到產量超過25萬台的大規模生產作業都採用基礎架構相同的設計，就表示該設計擁有最大的工程時間成本效益。
馬達控制選擇
本文將討論一種更有彈性的馬達控制設計，該架構可用在許多馬達控制應用，並適用於不斷電系統(UPS)、頻率轉換器和各種電源等不同應用。
當白色家電馬達控制應用在產量超過25萬台時，1馬力馬達(洗衣機應用)的成本目標約為15美元。這項設計必須很有彈性，以滿足不同機種5馬力馬達(家用空調系統)或0.5馬力馬達(垃圾處理)的需求。
模組要求
DSP和智慧型電源模組(IPM)是這項設計的關鍵元件，這個組合幾乎可以提供設計所需的全部功能。智慧型電源模組的需求包含了3-50A和600-1200VDC範圍的各種電壓與電流選項。成本目標則迫使它們必須採用DIP或SIP封裝。
智慧型電源模組還有一項比較微妙的需求：驅動電路須能直接搭配設計所用的IGBT元件。相較於需要外接驅動電路的設計，這個電源模組能減少零件數目、開關損耗和提高可靠性，簡化設計工作。
目前市場上有些智慧型電源模組會提供多種內建保護模式，包括電壓過低、電壓過載、電流過載、溫度過高和擊穿(shoot through)等。選擇這類智慧型電源模組可以減少零件數目和工程設計時間，進而降低最終產品成本。圖1即為典型的智慧型電源模組方塊圖。
處理器要求
處理器的要求相當嚴苛，需要DSP的訊號處理能力，以便執行無刷直流馬達的磁場導向控制(FOC)，另外，還須達到微控制器的功能整合水準、且符合感應馬達應用元件的低價需求。數位訊號控制器就是專為這些應用而設計，德州儀器(TI)的TMS320C2000平台就是例子。控制器的選擇是由成本、效能和製造需求決定。
以高速DSP為基礎的控制最佳化元件，可在預設的PWM模式下讀取電流和電壓訊號，能讓設計人員使用簡單的訊號感測器協調內部A/D和PWM強制狀態 (forced states)，以計算個別相位的電流和電壓。DSP的速度還能提供許多功能，協助設計人員以較便宜的非隔離式感測器取代昂貴的隔離式感測器。
高速類比數位轉換器、多組通訊通道、PWM調變器和高速操作等整合功能都是提高價值的關鍵。具備這些功能的DSP可以協助減少設計時間、產品成本和製造時間。舉例來說，控制區域網路(CAN)就是通訊通道之一，能用於製造過程的測試與校準資料交換，以便將這個產品階段自動化。
RS-232界面很適合非接觸式控制。多數安規都要求家電內部零件與客戶界面裝置間必須採用非接觸式連線(主要指紅外線)，RS-232的寬廣速度範圍和眾多控制選項則使它成為這類通訊的主要選擇。非接觸式控制還能減少電磁干擾的顧慮，因為它基本上不需使用耦合電容。
架構與封裝
基本架構是由下端電流感測電阻、負溫度係數(NTC)溫度感測器、智慧型電源模組以及DSP控制器所組成的三相設計。只要重新設計DSP程式、或使用幾個常駐程式，就能支援單相或雙相馬達。
高速類比數位轉換器使整個設計不需透過差動放大器測量回授電壓。類比數位轉換器和DSP的精確度與速度則能讓系統循序讀取通道內容，不需要使用差動放大器。由於取樣值可能非常接近500ns，所以DSP造成的訊號誤差很小。
除了封裝外，謹慎的系統功能分割也很重要。儘管白色家電製造商把電源控制器視為隨插即用元件，這些電源控制器的規格通常有差異。不同的應用和OEM廠商更會指定完全不同的電路板尺寸。為了成本效益，設計應僅須進行小幅修改就能支援所有的產品。
只要把DSP及其支援零件當成單一元件，並將這些功能整合到迷你電路板、同時把智慧型電源模組及其相關電源零件整合到主電路板，就能完成一套高度彈性的設計。主電路板包含智慧型電源模組以及其它會隨著製造商、電壓和功率水準改變的元件，主電路板的設計非常直接，除了使用通孔零件外，DSP元件的更換也很容易，可以簡化製造流程。
所有轉換器應用都使用相同的DSP電路板組件，所以能大量生產。接著只要安裝到已配置適當IPM模組的任何主電路板即可。
零件數目與可靠性
圖2是傳統微控制器/離散零件設計法與新方法的比較，可以看出DSP/IPM能將零件數目減半。
減少零件數目可以改善MTBF指標。除此之外，使用DSP電路板組件還能減少主電路板機械應力，因為它能避免不同零件在同一張電路板造成的熱應力效應。電路保護功能則因為使用特定智慧型電源模組而增強；另外，相較於採用微控制器/離散零件的設計，它能將原本所需的3個感測器減少為1個。使用DSP內含的高速類比數位轉換器還能排除差動放大器。圖3即為部份的可靠性指標比較結果。
更低成本與更多功能
使用更強大、整合度更高的元件可減少零件數目、製造成本和工程成本。把馬達控制器設計成隨插即用的雙電路板系統，則可讓生產製造更有彈性、有效降低產品的成本。
這種做法在確保獲得高成本效益設計的同時，還適用於從少量生產到數十萬台大量製造等各種生產規模。在效能方面，相較於採用微控制器和離散零件的傳統設計，使用先進DSP和智慧型電源模組最多能提高三成效率。最後，零件數目的減少還會讓產品更可靠。
目前，工程師必須習慣在一個注重隨插即用(plug-and-play)設計策略的環境裡完成工作。舉例來說，多數主要的白色家電製造商，已開始將馬達控制器等重要的電子次系統視為一顆元件。這種做法能控制成本，使OEM廠的設計人員將注意力集中在各種加值功能，而不是浪費時間設計可外包給OEM供應商的各種功能。
隨插即用設計會對供應商造成額外負擔。而對電路設計人員來說，則意味著必須藉由經常組合各種次系統的方式，創造出更有彈性的設計。一般而言，這些設計的基本功能是由主要電路組件提供，另外還有一個或多個較小的組件提供量身設計的選用界面、功能和應用。
處理器的選擇對馬達控制應用極為重要，它可確保系統擁有足夠的彈性，以便以低成本提供充份的效能。這也是DSP應用日益廣泛的主要原因。
同時，設計人員也必須利用系統的彈性降低各種狀況下的製造成本。如果從試產到產量超過25萬台的大規模生產作業都採用基礎架構相同的設計，就表示該設計擁有最大的工程時間成本效益。
馬達控制選擇
本文將討論一種更有彈性的馬達控制設計，該架構可用在許多馬達控制應用，並適用於不斷電系統(UPS)、頻率轉換器和各種電源等不同應用。
當白色家電馬達控制應用在產量超過25萬台時，1馬力馬達(洗衣機應用)的成本目標約為15美元。這項設計必須很有彈性，以滿足不同機種5馬力馬達(家用空調系統)或0.5馬力馬達(垃圾處理)的需求。
模組要求
DSP和智慧型電源模組(IPM)是這項設計的關鍵元件，這個組合幾乎可以提供設計所需的全部功能。智慧型電源模組的需求包含了3-50A和600-1200VDC範圍的各種電壓與電流選項。成本目標則迫使它們必須採用DIP或SIP封裝。
智慧型電源模組還有一項比較微妙的需求：驅動電路須能直接搭配設計所用的IGBT元件。相較於需要外接驅動電路的設計，這個電源模組能減少零件數目、開關損耗和提高可靠性，簡化設計工作。
目前市場上有些智慧型電源模組會提供多種內建保護模式，包括電壓過低、電壓過載、電流過載、溫度過高和擊穿(shoot through)等。選擇這類智慧型電源模組可以減少零件數目和工程設計時間，進而降低最終產品成本。圖1即為典型的智慧型電源模組方塊圖。
處理器要求
處理器的要求相當嚴苛，需要DSP的訊號處理能力，以便執行無刷直流馬達的磁場導向控制(FOC)，另外，還須達到微控制器的功能整合水準、且符合感應馬達應用元件的低價需求。數位訊號控制器就是專為這些應用而設計，德州儀器(TI)的TMS320C2000平台就是例子。控制器的選擇是由成本、效能和製造需求決定。
以高速DSP為基礎的控制最佳化元件，可在預設的PWM模式下讀取電流和電壓訊號，能讓設計人員使用簡單的訊號感測器協調內部A/D和PWM強制狀態 (forced states)，以計算個別相位的電流和電壓。DSP的速度還能提供許多功能，協助設計人員以較便宜的非隔離式感測器取代昂貴的隔離式感測器。
高速類比數位轉換器、多組通訊通道、PWM調變器和高速操作等整合功能都是提高價值的關鍵。具備這些功能的DSP可以協助減少設計時間、產品成本和製造時間。舉例來說，控制區域網路(CAN)就是通訊通道之一，能用於製造過程的測試與校準資料交換，以便將這個產品階段自動化。
RS-232界面很適合非接觸式控制。多數安規都要求家電內部零件與客戶界面裝置間必須採用非接觸式連線(主要指紅外線)，RS-232的寬廣速度範圍和眾多控制選項則使它成為這類通訊的主要選擇。非接觸式控制還能減少電磁干擾的顧慮，因為它基本上不需使用耦合電容。
架構與封裝
基本架構是由下端電流感測電阻、負溫度係數(NTC)溫度感測器、智慧型電源模組以及DSP控制器所組成的三相設計。只要重新設計DSP程式、或使用幾個常駐程式，就能支援單相或雙相馬達。
高速類比數位轉換器使整個設計不需透過差動放大器測量回授電壓。類比數位轉換器和DSP的精確度與速度則能讓系統循序讀取通道內容，不需要使用差動放大器。由於取樣值可能非常接近500ns，所以DSP造成的訊號誤差很小。
除了封裝外，謹慎的系統功能分割也很重要。儘管白色家電製造商把電源控制器視為隨插即用元件，這些電源控制器的規格通常有差異。不同的應用和OEM廠商更會指定完全不同的電路板尺寸。為了成本效益，設計應僅須進行小幅修改就能支援所有的產品。
只要把DSP及其支援零件當成單一元件，並將這些功能整合到迷你電路板、同時把智慧型電源模組及其相關電源零件整合到主電路板，就能完成一套高度彈性的設計。主電路板包含智慧型電源模組以及其它會隨著製造商、電壓和功率水準改變的元件，主電路板的設計非常直接，除了使用通孔零件外，DSP元件的更換也很容易，可以簡化製造流程。
所有轉換器應用都使用相同的DSP電路板組件，所以能大量生產。接著只要安裝到已配置適當IPM模組的任何主電路板即可。
零件數目與可靠性
圖2是傳統微控制器/離散零件設計法與新方法的比較，可以看出DSP/IPM能將零件數目減半。
減少零件數目可以改善MTBF指標。除此之外，使用DSP電路板組件還能減少主電路板機械應力，因為它能避免不同零件在同一張電路板造成的熱應力效應。電路保護功能則因為使用特定智慧型電源模組而增強；另外，相較於採用微控制器/離散零件的設計，它能將原本所需的3個感測器減少為1個。使用DSP內含的高速類比數位轉換器還能排除差動放大器。圖3即為部份的可靠性指標比較結果。
更低成本與更多功能
使用更強大、整合度更高的元件可減少零件數目、製造成本和工程成本。把馬達控制器設計成隨插即用的雙電路板系統，則可讓生產製造更有彈性、有效降低產品的成本。
這種做法在確保獲得高成本效益設計的同時，還適用於從少量生產到數十萬台大量製造等各種生產規模。在效能方面，相較於採用微控制器和離散零件的傳統設計，使用先進DSP和智慧型電源模組最多能提高三成效率。最後，零件數目的減少還會讓產品更可靠。
