利用先進的MCU技術實現(xiàn)電機高效率控制

電機對能耗的貢獻率在美國接近50%，因此降低電機能耗能有效地提高能源利用率，而采用先進的微控制器(MCU)技術來實現(xiàn)電機控制是一種有效的方法。本文介紹了最新的電機控制MCU技術發(fā)展及其應用。

降低能耗的一個主要對象是電機，它消耗了美國總能耗的大約50%。家庭里隨便都可以找到超過50個電機，一般會有70到80個，在工業(yè)領域，工廠自動控制對電機的利用也很廣泛。

今天，MCU技術的最近發(fā)展允許電機能在更低的成本下更高效地運行。在某些市場上，這能加快從機電向電子控制的轉變，從而能實現(xiàn)變速電機控制以優(yōu)化電機的工作效率，并在器件的層面上降低所有應用的成本。

低成本無刷直流電機控制MCU

與經常應用在電機控制中的有刷電機相比，MCU控制的無刷直流(BLDC)電機消除了刷子磨損和弧形機構，這樣電機的壽命本質上僅僅受限于軸承的壽命。此外，基于MCU的BLDC電機系統(tǒng)的優(yōu)勢還包括高效率、高轉矩-慣量比、更高的速度性能、低噪聲、更好的熱效率和低EMI特性。

利用專門設計用于電機控制的大批量生產的8位MCU是一種解決數(shù)字電機控制問題的非常低成本方法。由于具有高達10MIPS的性能和運動控制專用硬件(包括中心準直的14位PWM、一個運動反饋模塊以及一個高速ADC)，以前需要很貴處理器的應用現(xiàn)在可以使用低成本的8位MCU解決。

圖1：MCU在洗衣機中的應用實例：8位微控制器驅動一個三相ACIM可變頻驅動。

某些MCU里的三相PWM控制，如PIC18F4431，可以用硬件提供一個BLDC的所有三項控制，盡量減少必須開發(fā)和調試的軟件。高達8個可用的PWM通道，通常只需要6個來驅動三相電機。因此，剩下的兩個通道可以用作其他功能，而不需要額外的器件。作為MCU的主要部分的帶積分編碼器接口的運動反饋模塊減少了器件數(shù)量和系統(tǒng)成本。

具有采樣率為每秒200K的ADC的MCU可提供閉環(huán)控制所必要的速度。兩個不同通道的同時采用使得對電壓和電流同時采樣成為可能。在測量閉環(huán)電機控制中后端電動勢(EMF)時需要這樣的快速轉換，在上升或下降沿使ADC與PWM同步的能力使切換噪聲最小化?？傊?，這些模塊使得不需要外部電機控制器件，如高速ADC和位置編碼器。

在很多電機控制應用中，故障安全操作(fail-safe operation)非常重要。帶有故障安全時鐘監(jiān)視器(一個內部RC振蕩器，可以在晶振產生故障的時候用作備用時鐘)的MCU使設計工程師可以用能提供高可靠性的數(shù)字控制。像在PWM上的可編程停滯時間(deadtime)延時使切換噪聲最小化，可以減少數(shù)周的開發(fā)時間，并滿足關鍵的程序最終期限要求以使新產品得以面市。在所有的情況下，帶有可靠閃存的MCU提供快速面市的可能，以及在安裝之前或在使用中根據(jù)要求變化來調整的靈活性。

市場推動因素及解決方案

家用電子設備中的電子電機控制要求、工業(yè)和汽車市場促進了對具有先進的電機控制外設的MCU的需求。

在家電市場部分，需要性能提高的電機控制來滿足政府規(guī)劃標準，例如美國的環(huán)境保護機構的能源之星計劃，該計劃促進廠商推出高效能家電。洗衣機是高性能電機控制的一個重要的領域。直接驅動的洗衣機消除了電機軸與洗衣機攪動器之間的傳動帶，允許不同的速度和攪動器模式。

一個生產商的完全重新設計的洗衣機與傳統(tǒng)的洗衣機相比較，減少消耗38%的電量和17%的水。電機控制MCU根據(jù)洗衣量和類型調整電機的功率。然而，家電用戶依然對最初的購買價格很敏感，因此生產商必須不斷降低它們的開發(fā)和生產成本，以使更先進的電器能為更多的消費者所接受。

在家電中，專門為低成本電機控制應用設計的8位MCU集成了能盡量減少額外器件的功能。在電路板上的電機PWM、故障安全時鐘監(jiān)視器和高可靠的閃存條件下，最新的MCU簡化了家電電機控制的設計，能實現(xiàn)低成本目標。

在工業(yè)應用中，電力成本和裝配操作的停工時間會降低廠商的收益。關于電機性能提升的控制如何直接影響效率和收益的一個工業(yè)例子就是：將一個工業(yè)抽水機中的閥用一個帶有基于MCU的可變速(VSD)系統(tǒng)替換。

對于抽水機或風扇，功耗與軸的速度立方根成正比，當軸速度降低10%，流量降低10%，功耗降低27%。如果速度降低20%，功耗降低49%。通過使用MCU可變速電機控制，而不是恒速電機閥來減少流量，已經證明對于工業(yè)應用中的離心抽水機、風扇和吹風機來說可以得到25-40%的能量節(jié)省。

工業(yè)應用的效益是明顯的，使用MCU驅動的變速電機控制依賴于其他因素，例如靈活性和可靠性-這些因素能避免故障或檢修帶來的停工。帶有閃存和EEPROM的MCU提供能通過可再編程特性，在當需要升級或控制程序要求改變的時候來解決工業(yè)用戶要求的靈活性。帶16KB閃存和256B EEPROM的MCU在8位MCU中提供了足夠的存儲器來處理在工業(yè)環(huán)境中可能需要的很多改變。同樣重要的是，Microchip公司的閃存采用的PMOS電子可擦除的單元處理技術一般具有數(shù)據(jù)存儲單元能承受1百萬次擦/寫循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保持超過40年的性能。

已有的汽車電機應用包括采用電機來打開和關閉車窗和車門，以及定位車座。由于這些應用的使用頻率很低，因此對低效率并不敏感，但利用率高的應用，例如乘客溫度環(huán)境控制和引擎箱的風扇，則不斷地消耗汽車有限的電能。電機控制MCU使得環(huán)境控制扇只以一個能保持舒適溫度的速度運轉，這樣使噪聲最小化，并減少功率消耗。

在很多情況下，電機控制MCU必須使用控制區(qū)域網絡(CAN)或本地互連網絡(LAN)來連接到汽車網絡。對于車體電子，現(xiàn)在使用低成本LIN協(xié)議來減少整體系統(tǒng)成本。在一些MCU系列中，可以發(fā)現(xiàn)一個支持LIN1.2的USART模塊，同時提供在起始位的自動喚醒和波特檢測(baud detect)。

隨著控制算法在所有細分市場變得越來越復雜，數(shù)字電機控制器的性能從MCU上升到DSP層次。數(shù)字信號控制器(DSC)帶來了更高的性能和價格可接受的、對設計工程師友好的MCU技術用作更成熟的電機控制設計，包括那些具有向量控制的應用。DSC工作速度高達30MIPS，帶有高達144KB的閃存和電機控制專用的集成外設實現(xiàn)了更先進的、新的電機控制應用。采用基于DSP和DSC的電子電機控制，家電產業(yè)控制和汽車不僅工作效率更高、提供更多功能，而且價格可接受。