解密消費電器變速控制絕招——數(shù)字電源管理

很多廚房和車庫電器、電動工具以及其他小家電中所用的傳統(tǒng)通用型電動機一般都不能精確地控制速度。電動機基本上只有關(guān)和開兩種狀態(tài)，這對于某些應(yīng)用來說確實是足夠了。但通過數(shù)字電源管理系統(tǒng)來進(jìn)行精確變速控制可以實現(xiàn)很多巨大的優(yōu)勢，包括：

－更低的功耗

－更高的安全性

－更長的工具壽命

－更便于使用

－更先進(jìn)的操作控制。

－將電器開啟時產(chǎn)生電涌從而導(dǎo)致電路斷開的風(fēng)險最小化

成本曾經(jīng)是在各種消費類電器中實現(xiàn)智能電機控制的主要障礙。本文將介紹一種由ZiLOG公司設(shè)計開發(fā)的新型高效低成本變速通用電機控制方案，以及這一方案是如何利用新型片上集成數(shù)字模塊和先進(jìn)的模擬硬件模塊，以最少的外部組件和固件實現(xiàn)速度控制和故障停機功能的。

解決成本與復(fù)雜性問題

電子行業(yè)流行這么一個“傳統(tǒng)”觀點：能進(jìn)行直接準(zhǔn)確變速控制的系統(tǒng)所需的組件實在太貴了，根本無法用于價格敏感型消費電器中。這種觀點認(rèn)為，與其開發(fā)并執(zhí)行這樣的控制系統(tǒng)，提高最終產(chǎn)品零售價格并因此而使之對人們失去吸引力，還不如保持電器的低成本，放棄智能電機控制的優(yōu)勢。另外，由于快速過電流檢測、故障控制、系統(tǒng)可靠性和效率等問題，電機控制應(yīng)用還帶來了棘手的工程難題。

由于對快速準(zhǔn)確回路控制的需求，以及通過數(shù)字電源管理執(zhí)行智能電機控制所需要組件的數(shù)量和成本，這些控制器應(yīng)用給MCU樹立了標(biāo)準(zhǔn)，要求它必須提供一流的性能和豐富的綜合型先進(jìn)功能，以簡化閉合回路控制設(shè)計在通用電機控制領(lǐng)域的執(zhí)行。

近幾年專門用于電機控制的微控制器(MCU)已經(jīng)問世，集成了8 位計算引擎、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、比較器、計數(shù)器、定時器以及其它電路來控制電機速度，以滿足負(fù)載的功率要求。由于快速而精確的閉環(huán)控制以及所需支持組件的數(shù)量和成本，這種控制器在對 MCU 的預(yù)期方面樹立了新標(biāo)桿。目前MCU生產(chǎn)商所面臨的問題是如何在確保集成恰當(dāng)?shù)耐獠拷M件和功能的同時還能保持產(chǎn)品價格對消費者的吸引力。

一種最佳方法

圖1展示了一個面向先進(jìn)電機控制尤其是通用電機控制應(yīng)用的低成本高效型數(shù)字功率管理方案。其中的片上模擬外圍設(shè)備都是由ZiLOG開發(fā)并集成到它的一款8位MCU上的。

圖1 ZiLOG 8位MCU框架圖

在這個例子中，MCU的10位ADC能夠提供多達(dá)四個單端/差分通道和一個可選的 1X 差分輸入緩沖區(qū)。另外，ADC 模塊中還集成了一個片上低功率運算放大器，從而不再需要另外的外部組件就能夠獲得高精度電流測量。結(jié)合這個多通道 ADC，MCU 的兩個具有脈寬調(diào)制（PWM ）以及采集與比較功能的增強型16 位定時器模塊可以同時操作兩個負(fù)載（即電機），同時，直接 LED 驅(qū)動輸出可用來在出現(xiàn)預(yù)設(shè)事件時觸發(fā) LED，而不需要額外的硬件。該方案還由其它特征，包括一個模擬比較器、一套用于確保可靠性的“防故障”振蕩器機制、一個片上集成溫度傳感器和高達(dá)128B 的非易失性數(shù)據(jù)存儲空間（NVDS）。圖 2 是款使用了ZiLOG MCU 的通用電機的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 通用電機控制系統(tǒng)框架圖

電機控制的主要功能

這個特別的數(shù)字公里發(fā)管理方案提供了通用電機所需的主要控制功能：“軟啟動”、過電流故障保護和使用片上比較器測定交流電路過零點以確保 MCU 輸出信號同步的能力。我們來逐條分析一下，并看看該方案是如何滿足這些要求的：

（1）軟啟動

“軟啟動”功能確保在電機打開時功率逐漸地而不是突然輸出到電機。通過使用 MCU 的單 I/O 輸出控制 TRIAC 的觸發(fā)/點火角來實現(xiàn)可調(diào)控制。這種功能最大程度地減少了啟動時轉(zhuǎn)子的過沖和不平穩(wěn)運動，從而減少電機磨損，并防止需量的突變，避免電路斷開以致剛開啟的和正在運行的電器都被關(guān)斷的情況。

ZiLOG的軟啟動實現(xiàn)方法采用了一個定時器和重新載入定時器高低字節(jié)時使用的一個查找表。在交流信號的一個半周期內(nèi)可以實現(xiàn)二十個均勻分布的觸發(fā)角。通過這種方法可以調(diào)節(jié) TRIAC 觸發(fā)角（如圖3），以調(diào)整輸送給電機的功率。這種軟啟動方案使用一個10 微秒輸出脈沖寬度觸發(fā)TRIAC，在此期間觸發(fā)角從 18°上升至162° (一個半周期的 10% 至 90%)，此時電機過渡到正常滿速運轉(zhuǎn)。

（2）過電流故障保護

大多數(shù)電機控制都需要過電流故障保護。過電流故障的原因有很多，例如電機繞組短路、電機引線短路、機械驅(qū)動與連接裝置故障、功率器件損壞、接線錯誤等，會導(dǎo)致電器損毀。在出現(xiàn)過電流故障時，不管原因是什么，都必須立即停止電機轉(zhuǎn)動以防止損壞。雖然保護電路必須動作迅速，但是最好逐周期地關(guān)掉 PWM 輸出，并且在不能繼續(xù)發(fā)現(xiàn)故障條件時恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)，而不要一下子完全關(guān)斷整個系統(tǒng)。如果這種方法不能解決問題，那么再關(guān)斷系統(tǒng)。

這個電機控制器方案以一個感應(yīng)電阻來測量電機電流（圖 2），并把信號傳輸?shù)狡霞?ADC。過電流門限值是可以設(shè)置的，而一旦電流達(dá)到這個門限值，系統(tǒng)就會啟動一個中斷服務(wù)程序，然后終止輸送到TRIAC 的觸發(fā)脈沖，并最終關(guān)閉系統(tǒng)。

（3）過零點

要控制電機速度，TRIAC 的觸發(fā)角必須與交流電路電壓同步，因此，必須測定這種信號的過零時刻。iLOG 的電機控制方案使用了一個片上集成的模擬比較器，不再需要外部組件，因此有助于降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。圖 3 展示了用來實現(xiàn)變速控制的不同的TRIAC 觸發(fā)角。在圖中所示的應(yīng)用中，TRIAC 的觸發(fā)角被設(shè)為 9° 。

圖3 電機電壓：18°、90°和162°TRAC觸發(fā)角

結(jié)論

由于成本和系統(tǒng)復(fù)雜性的原因，各種家電和便攜式工具中使用的傳統(tǒng)通用電機一般都缺乏精確電機控制，而要解決這一問題，可以使用一個數(shù)字電源管理來實現(xiàn)變速控制，以提供各種明顯的優(yōu)勢，并防止啟動電器時可能出現(xiàn)的煩人又危險的會導(dǎo)致電路斷開的電涌。上面提到的這一方案使用了ZiLOG的 Z8 Encore! XP Flash MCU，采用了片上集成數(shù)字模塊和先進(jìn)的模擬硬件模塊，提供了一種通用電機控制方案，能克服阻礙在各種價格敏感型電器上執(zhí)行智能控制的成本與復(fù)雜性問題。

預(yù)了解ZiLOG電機控制方案的更多信息請登陸www.zilog.com。

作者介紹：

Ken Johnston是ZiLOG公司數(shù)字電源管理營銷總監(jiān)，有14年的MCU工作經(jīng)驗，熟悉工廠自動化、航天工業(yè)、測量、數(shù)碼相機、微膠片掃描器、電機控制、MCU應(yīng)用工程和MCU產(chǎn)品管理等多個領(lǐng)域。他擁有華盛頓州立大學(xué)BSEE學(xué)位和菲尼克斯大學(xué)技術(shù)管理MBA學(xué)位。

Rex Allison是ZiLOG公司電機控制微處理器高級應(yīng)用工程師，在設(shè)計和開發(fā)用于電動車、工業(yè)機器人和消費品的交流驅(qū)動器上有12年的經(jīng)驗，擁有加州太平洋大學(xué)BSEE學(xué)位，并正在攻讀圣何塞州立大學(xué)MSEE學(xué)位。