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Microchip高级营销工程师-II
Nelson Alexander

基于采用无传感器磁场定向控制（FOC）的永磁同步电机（PMSM）的高级电机控制系统快速普及，这种现象的背后有两个主要驱动因素：提高能效和加强产品的差异化。虽然有证据表明采用无传感器FOC的PMSM可以实现这两个目标，但需要一个可提供整体实现方法的设计生态系统才能取得成功。利用整体的生态系统，设计人员能够克服实现过程中阻碍系统采用的各种挑战。

为什么选择PMSM？

PMSM电机是一种使用电子换向的无刷电机。它经常与无刷直流电机（BLDC）混淆，后者是无刷电机系列的另一个成员，也使用电子换向，但在结构上略有不同。PMSM的结构可针对FOC进行优化，而BLDC电机经过优化后可使用6步换向技术。经过优化后，PMSM可获得正弦波反电动势（Back-EMF），而BLDC电机则获得梯形波反电动势。

这些电机各自使用的转子位置传感器也不同。PMSM通常使用一个位置编码器进行操作，而BLDC电机则使用三个霍尔传感器进行操作。如果考虑到成本，设计人员可以考虑实施无传感器技术，以省去磁体、传感器、连接器和接线的成本。去除传感器还有助于提高可靠性，因为这会减少系统中可能发生故障的元件数量。当比较无传感器PMSM和无传感器BLDC时，使用FOC算法的无传感器PMSM可提供更出色的性能，而使用类似硬件设计的实现成本相当。

转用PMSM的最大受益者是那些目前正在使用有刷直流（BDC）或交流感应电机（ACIM）的应用。切换的主要好处包括具有更低的功耗、更高的速度、更平稳的转矩、更低的可闻噪音、更长的使用寿命和更小巧的尺寸，从而使应用更具竞争力。但是，要想实现使用PMSM的这些好处，开发人员需要实现更复杂的FOC控制技术以及其他应用特定算法，才能满足系统需求。虽然PMSM比BDC或ACIM的成本更加昂贵，但它具有更多优势。

实现中的挑战

图1：使用三相电压源逆变器的三相无传感器PMSM控制系统

但是，要实现使用PMSM的优势，需要了解实现高级FOC电机控制技术时固有的硬件复杂性，同时还需要掌握这一领域的专业知识。图1给出了使用三相电压源逆变器的三相无传感器PMSM控制系统。控制逆变器需要三对相互关联的高分辨率PWM信号，以及大量需要信号调理的模拟反馈信号。此系统还需要硬件保护功能来实现容错，同时利用高速模拟比较器实现了快速响应。实现传感、控制和保护所需的这些额外模拟元件增加了解决方案的成本，而典型的BDC电机设计或简单的ACIM每赫兹电压（V/F）控制并不需要这些元件。

此外，还有为PMSM电机控制应用定义元件规格和进行验证所需的开发时间。  要应对这些挑战，设计人员可以选择一款合适的单片机，以实现与专为PMSM电机控制量身定制的器件规格的高度模拟集成。这将会减少所需的外部元件数量并优化物料清单（BOM）。高度集成的电机控制器件现已具有高分辨率PWM，可简化高级控制算法、用于精密测量和信号调理的高速模拟外设、功能安全所需的硬件外设，以及用于通信和调试的串行接口的实现。

图2：标准无传感器FOC的框图

此外，还有一个较大的挑战，即电机控制软件与电机的电机械行为之间的交互。图2给出了标准的无传感器FOC框图。要将其从概念转变为实际的设计，需要了解控制器架构和数字信号处理器（DSP）指令，以实现数学计算密集的时间关键控制环。

为实现可靠的性能，控制环必须在一个PWM周期内执行。必须对控制环的时间进行优化，具体包括以下三个原因：

1) 限制：使用不低于20 kHz的PWM开关频率（时长为50 μs），以抑制来自逆变器开关的噪声。

2) 为实现带宽更高的控制系统，控制环必须在一个PWM周期内执行。

3) 为支持其他后台任务（如系统监视、应用特定功能和通信），控制环需要以更快的速度运行。因此，FOC算法的目标应该是在10 μs以内执行。

许多制造商提供了利用无传感器估算器来估算转子位置的FOC软件示例。但是，在使电机开始转动之前，FOC算法必须配置各种参数以匹配电机和硬件。必须对控制参数和系数进行进一步优化，以满足所需的速度和效率目标。可以通过结合以下方法实现这一目标：1) 使用电机数据手册获得参数；2) 反复进行试验。电机数据手册并不能始终对电机参数进行准确的表征，或者设计人员无法获得高精度测量设备，在这种情况下，开发人员将不得不借助反复试验的方法。这种手动调整的过程需要时间和经验。

PMSM电机用于许多不同的应用，运行在不同的环境中，或者存在不同的设计限制。例如，在汽车散热器风扇中，当电机即将启动时，由于风的作用，风扇叶片有可能向相反的方向自由旋转。在这种情况下，启动采用无传感器算法的PMSM电机是一个挑战，而且有可能损坏逆变器。一种解决方案是检测旋转方向和转子位置，并利用这些信息在启动电机前通过主动制动将电机减速至静止状态。同样，还可能有必要实施附加算法，如每安培最大转矩（MTPA）、转矩补偿和磁场弱化^[1]等。这些类型的应用特定附加算法对于开发实用解决方案必不可少，但它们也会延长开发时间并使软件验证复杂化，进而增加设计复杂程度。

图3：FOC的应用框架

降低复杂程度的一种解决方案是，设计人员创建一个模块化软件架构，这种架构可将应用特定算法添加到FOC算法中，同时不影响时间关键型执行。图3给出了典型的实时电机控制应用程序的软件架构。此框架的核心是FOC函数，该函数提供了硬时序约束和许多应用特定的附加功能。框架内的状态机将这些控制功能与主应用程序连接起来。这种架构需要在软件函数块之间有一个定义明确的接口，以使其实现模块化并简化代码维护工作。模块化框架支持不同应用特定算法与其他系统监视、保护和功能安全程序的集成。

模块化架构的另一个好处是将外设接口层（或硬件抽象层）从电机控制软件中分离出来，这便于设计人员在应用功能和性能需求发生变化时，将其IP从一个电机控制器无缝迁移到另一个电机控制器。

完整生态系统的需求

应对这些挑战需要一个为无传感器FOC量身打造的电机控制生态系统。电机控制器、硬件、软件和开发环境应协同工作，以简化实现高级电机控制算法的过程。  为实现这一目标，此生态系统应具有以下特性：

1.一种用于自动执行电机参数测量、设计控制环和生成源代码的高级工具，可让没有领域专业知识的设计人员能够实现FOC电机控制，并编写和调试非常耗时的复杂时间关键型代码

2.适用于FOC和不同应用特定附加算法的应用框架，用于缩短开发和测试时间

3.具有确定性响应的电机控制器以及可在单芯片中实现信号调理和系统保护的集成模拟外设，用于降低解决方案总成本

图4：Microchip电机控制生态系统架构

图4给出了一个电机控制生态系统架构的示例，其中包括应用框架和一个用于高性能dsPIC33电机控制数字信号控制器（DSC）的开发套件。此开发套件在基于GUI的FOC软件开发工具的基础上构建，可以测量关键的电机参数并自动调整反馈控制增益。此外，它还可为利用电机控制应用框架（MCAF）在开发环境中创建的项目生成所需的源代码。解决方案协议栈的核心是电机控制库，这种库可以实现应用程序的时间关键型控制环功能，并与dsPIC33 DSC的电机控制外设交互。此GUI可与多个可用的电机控制开发板配合使用，支持电机参数提取并为各种低压和高压电机生成FOC代码。

对高能效和产品差异化的需求推动了向无刷电机的转变。全面的电机控制生态系统可提供一种整体方法来简化基于PMSM的无传感器FOC的实现，这种方法应包含专用的电机控制器、快速原型开发板和可自动生成代码的易用FOC开发软件。

参考资料

[1] TB3220-利用角度跟踪锁相环估算器实现面向家用电器的永磁同步电机（表面贴装和内置）的无传感器磁场定向控制

http://www.microchip.com.cn/newcommunity//Uploads/202003/5e65d169337d8.pdf

[2] motorBench®开发套件

https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motorbe...

[3] 电机控制设计资源

https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive

[4] 电机控制库

https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motor-c...

英特尔的目标是在封装中将密度提升10倍以上，将逻辑微缩提升30%至50%，并布局非硅基半导体

在不懈推进摩尔定律的过程中，英特尔公布了在封装、晶体管和量子物理学方面的关键技术突破，这些突破对推进和加速计算进入下一个十年至关重要。在2021 IEEE国际电子器件会议（IEDM）上，英特尔概述了其未来技术发展方向，即通过混合键合（hybrid bonding）将在封装中的互连密度提升10倍以上，晶体管微缩面积提升30%至50%，在全新的功率器件和内存技术上取得重大突破，基于物理学新概念所衍生的新技术，在未来可能会重新定义计算。

英特尔高级院士兼组件研究部门总经理Robert Chau表示：“在英特尔，为持续推进摩尔定律而进行的研究和创新从未止步。英特尔的组件研究团队在IEDM 2021上分享了关键的研究突破，这些突破将带来革命性的制程工艺和封装技术，以满足行业和社会对强大计算的无限需求。这是我们最优秀的科学家和工程师们不懈努力的结果，他们将继续站在技术创新的最前沿，不断延续摩尔定律。”

摩尔定律满足了从大型计算机到移动电话等每一代技术的需求，并与计算创新同步前行。如今，随着我们进入一个具有无穷数据和人工智能的计算新时代，这种演变仍在继续。

持续创新是摩尔定律的基石，英特尔的组件研究团队致力于在三个关键领域进行创新：第一，为提供更多晶体管的核心微缩技术；第二，在功率器件和内存增益领域提升硅基半导体性能；第三，探索物理学新概念，以重新定义计算。众多突破摩尔定律昔日壁垒并出现在当前产品中的创新技术，都源自于组件研究团队的研究工作，包括应变硅、高K-金属栅极技术、FinFET晶体管、RibbonFET，以及包括EMIB和Foveros Direct在内的封装技术创新。

在IEDM 2021上披露的突破性进展表明，英特尔正通过对以下三个领域的探索，持续推进摩尔定律，并将其延续至2025年及更远的未来。

一、为在未来的产品中提供更多的晶体管，英特尔正针对核心微缩技术进行重点研究：

• 英特尔的研究人员概述了混合键合互连中的设计、制程工艺和组装难题的解决方案，期望能在封装中将互连密度提升10倍以上。在今年7月的英特尔加速创新：制程工艺和封装技术线上发布会中，英特尔宣布计划推出Foveros Direct，以实现10微米以下的凸点间距，使3D堆叠的互连密度提高一个数量级。为了使生态系统能从先进封装中获益，英特尔还呼吁建立新的行业标准和测试程序，让混合键合芯粒（hybrid bonding chiplet）生态系统成为可能。

• 展望其GAA RibbonFET（Gate-All-Around RibbonFET）技术，英特尔正引领着即将到来的后FinFET时代，通过堆叠多个（CMOS）晶体管，实现高达30%至50%的逻辑微缩提升，通过在每平方毫米上容纳更多晶体管，以继续推进摩尔定律的发展。

• 英特尔同时也在为摩尔定律进入埃米时代铺平道路，其前瞻性的研究展示了英特尔是如何克服传统硅通道限制，用仅有数个原子厚度的新型材料制造晶体管，从而实现在每个芯片上增加数百万晶体管数量。在接下来的十年，实现更强大的计算。

二、英特尔为硅注入新功能：

• 通过在300毫米的晶圆上首次集成氮化镓基（GaN-based）功率器件与硅基CMOS，实现了更高效的电源技术。这为CPU提供低损耗、高速电能传输创造了条件，同时也减少了主板组件和空间。

• 另一项进展是利用新型铁电体材料作为下一代嵌入式DRAM技术的可行方案。该项业界领先技术可提供更大内存资源和低时延读写能力，用于解决从游戏到人工智能等计算应用所面临的日益复杂的问题。

三、英特尔正致力于大幅提升硅基半导体的量子计算性能，同时也在开发能在室温下进行高效、低功耗计算的新型器件。未来，基于全新物理学概念衍生出的技术将逐步取代传统的MOSFET晶体管：

• 在IEDM 2021上，英特尔展示了全球首例常温磁电自旋轨道（MESO）逻辑器件，这表明未来有可能基于纳米尺度的磁体器件制造出新型晶体管。

• 英特尔和比利时微电子研究中心（IMEC）在自旋电子材料研究方面取得进展，使器件集成研究接近实现自旋电子器件的全面实用化。

• 英特尔还展示了完整的300毫米量子比特制程工艺流程。该量子计算工艺不仅可持续微缩，且与CMOS制造兼容，这确定了未来研究的方向。

关于英特尔组件研究部门：英特尔组件研究部门是英特尔技术研发部门中的研究团队，负责提供革命性的制程工艺和封装技术方案，以推进摩尔定律并实现英特尔的产品和服务。英特尔组件研究团队与公司的业务部门建立了内部合作关系，以预测未来需求。同时，该团队也与外部建立合作关系，包括政府机构研究实验室、行业协会、大学研究团体及各类供应商，以保持英特尔研究和开发渠道的完整性。

更多内容请访问：3D堆叠晶体管：通过向上堆叠提升面积（视频） | Foveros Direct：先进封装技术将延续摩尔定律（视频）| 英特尔组件研究小组发明革命性的制程工艺和封装技术（视频）

法律声明

所有的产品和服务计划，以及路线图，如有更改，恕不另行通知。任何对英特尔运营所需商品和服务的预测仅供讨论之用。英特尔公司将不承担与本文件中公布的预测有关的任何购买责任。英特尔经常使用代码名称来识别正在开发的产品、技术或服务，用法可能随时间而变化。本文件未授予任何知识产权的许可（明示或暗示，以禁止反言或其他方式）。产品和工艺性能因使用、配置和其他因素而异。欲了解更多信息，请访问www.Intel.com/PerformanceIndex 和 www.Intel.com/ProcessInnovation。

对研究成果的引用，包括对技术、产品、制程工艺或封装性能的比较，均为估计，并不意味着可以使用。参考的发布日期和/或能力可能因使用、配置和其他因素而异。所描述的产品和服务可能含有缺陷或错误，可能导致与公布的规格存在偏差。目前的特征勘误表可按要求提供。英特尔公司否认所有明示和暗示的保证，包括但不限于对适销性、对特定用途的适用性和不侵权的暗示保证，以及由履约过程、交易过程或贸易惯例所产生的任何保证。

本文件中提到未来计划或预期的陈述为前瞻性陈述。这些陈述系基于当前的预期，涉及许多风险和不确定性，可能导致实际结果与这些陈述中所表达或暗示的结果有实质性的差异。欲进一步了解有关可能导致实际结果出现重大差异的因素，请参见我们最近发布的收益报告和美国证券交易委员会文件，网址：www.intc.com。

关于英特尔

英特尔（NASDAQ: INTC）作为行业引领者，创造改变世界的科技，推动全球进步并让生活丰富多彩。在摩尔定律的启迪下，我们不断致力于推进半导体设计与制造，帮助我们的客户应对最重大的挑战。通过将智能融入云、网络、边缘和各种计算设备，我们释放数据潜能，助力商业和社会变得更美好。如需了解英特尔创新的更多信息，请访问英特尔中国新闻中心newsroom.intel.cn以及官方网站intel.cn。

技嘉刚刚宣布推出 BRIX Extreme，这是首批搭载 AMD Ryzen 5000U 系列 APU 的 BRIX 设备。BRIX Extreme 共有 R3-5300U（4核）、R5-5500U（6核）和R7-5700U（8核）三种选项，TDP 为 15W。但令人感到遗憾的是，这些都基于 Zen 2，而不是 Zen 3。

这也是我们看到的第一个使用新的AMD RZ608 WiFi 6和蓝牙5.2模块的设备，该模块不久前已经公布。其他功能包括2.5Gbps以太网，一个用于固态硬盘的M.2 PCIe 3.0 NVMe插槽，两个HDMI 2.0a端口，一个迷你DP端口端口和一个带DP Alt模式的USB-C端口，都支持DP 1.4，所有显示输出可以同时使用四个4K显示器。

技嘉将提供 BRIX Extreme 的低调机箱，以及一个稍大的机箱，可以容纳一个 2.5 英寸 SATA 驱动器，或一个可选的扩展模块。扩展模块可以增加一对M.2 NVMe插槽，尽管它们将被限制在PCIe 3.0 x1或SATA，或者有一个模块有一个单一的M.2 NVMe插槽，有同样的限制，加上一个额外的以太网接口，以及一个通过RJ45端口的RS-232接口。

技嘉捆绑了一个VESA安装支架，以及一个135瓦的电源适配器。遗憾的是，目前没有得到任何定价，但被告知，与市场上其他类似产品相比，它的价格具有竞争力。预计 2022 年初会有零售供应。

来源：cnBeta.COM

你能想象声音的传播方式与光的传播方式相同吗？中国香港城市大学的一个研究小组发现了一种新型的声波：空气中的声波横向振动，并像光一样携带自旋和轨道角动量。这一发现打破了科学家们以前对声波的看法，为开发声学通信、声学传感和成像方面的新应用开辟了一条道路。

这项研究由香港城市大学物理系助理教授王树波（音译）博士发起并共同领导，并与香港浸会大学和香港科技大学的科学家们合作进行。该研究发表在《自然通讯》上。

超越对声波的传统理解

物理学教科书告诉我们，有两种波。在像光这样的横波中，振动是垂直于波的传播方向的。在像声音这样的纵波中，振动与波的传播方向平行。但香港城市大学科学家们的最新发现改变了人们对声波的这种认识。

“如果你和物理学家谈论空气中的横向声音，他/她会认为你是一个没有受过大学物理学训练的门外汉，因为教科书上说空气中的声音（即在空气中传播的声音）是一种纵波，”王树波博士说。“虽然空气传播的声音在通常情况下是纵波，但我们首次证明在某些条件下它可以是横波。而且我们研究了它的自旋-轨道相互作用（一个只存在于横波中的重要属性），即两种角动量之间的耦合。这一发现为声音操作提供了新的自由度。”

王树波博士解释说，空气或流体中没有剪切力，这是声音是纵波的原因。他一直在探索是否有可能实现横向声音，这需要剪切力。然后他想到，如果将空气离散成"元原子"，即限制在小型谐振器中的体积空气，其大小远远小于波长，就可能产生合成剪切力。这些空气"元原子"的集体运动可以产生宏观尺度上的横向声音。

"微极超材料"的构想和实现

他巧妙地设计了一种被称为"微极超材料"的人工材料来实现这一想法，它看起来像一个复杂的谐振器网络。空气被限制在这些相互连接的谐振器内，形成"元原子"。超材料足够坚硬，所以只有里面的空气可以振动并支持声音的传播。理论计算表明，这些空气"元原子"的集体运动确实产生了剪切力，从而在这个超材料内部产生了具有自旋-轨道相互作用的横向声音。浸会大学马冠聪博士的研究小组通过实验验证了这一理论。

此外，研究小组发现，空气在微极超材料内表现得像一种弹性材料，因此支持具有自旋和轨道角动量的横向声音。利用这种超材料，他们首次展示了两种类型的声音自旋或轨道相互作用。一种是动量空间自旋轨道相互作用，它引起了横向声音的负折射，意味着声音在通过界面时向相反方向弯曲。另一个是实空间自旋-轨道相互作用，在横向声音的激励下产生声音涡流。

研究结果表明，空气中的声音，或流体中的声音，可以是一种横波，并与光一样携带完整的矢量属性，如自旋角动量。它为超越传统标量自由度的声音操作提供了新的视角和功能。

“这只是一个前奏。”王博士说：“我们预计将对横向声音的耐人寻味的特性进行更多探索。将来，通过操纵这些额外的矢量特性，科学家们也许能够将更多的数据编码到横声中，以打破传统声波通信的瓶颈。”

“自旋与轨道角动量的相互作用使得通过其角动量进行前所未有的声音操纵。”他补充说：“这一发现可能为开发声学通信、声学传感和成像方面的新型应用开辟了一条途径。”

来源：cnBeta.COM