如何使創(chuàng)新的MCU實現(xiàn)高效節(jié)能電機控制

電機對能耗的貢獻(xiàn)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(jìn)的微控制器（MCU）技術(shù)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(shù)發(fā)展及其應(yīng)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(lǐng)域，工廠自動控制對電機的利用也很廣泛。

　　今天，MCU技術(shù)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(zhuǎn)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(yīng)用的成本。

　　低成本無刷直流電機控制MCU

　　與經(jīng)常應(yīng)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(gòu)，這樣電機的壽命本質(zhì)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(zhuǎn)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(shè)計用于電機控制的大批量生產(chǎn)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(dá)10MIPS 的性能和運動控制專用硬件（包括中心準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)用實例

　　8位微控制器驅(qū)動一個三相ACIM可變頻驅(qū)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(diào)試的軟件。高達(dá)8個可用的PWM通道，通常只需要6個來驅(qū)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(zhuǎn)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(yīng)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(nèi)部RC振蕩器，可以在晶振產(chǎn)生故障的時候用作備用時鐘）的MCU使設(shè)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(guān)鍵的程序最終期限要求以使新產(chǎn)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(diào)整的靈活性。

　　市場推動因素及解決方案

　　家用電子設(shè)備中的電子電機控制要求、工業(yè)和汽車市場促進(jìn)了對具有先進(jìn)的電機控制外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，例如美國的環(huán)境保護(hù)機構(gòu)的能源之星計劃，該計劃促進(jìn)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(lǐng)域。直接驅(qū)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(chǎn)商的完全重新設(shè)計的洗衣機與傳統(tǒng)的洗衣機相