推動(dòng)電機(jī)控制發(fā)展的力量與不斷進(jìn)步的單片機(jī)技術(shù)

全球溫度正呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，更加有效地利用能源成為當(dāng)務(wù)之急。降低能耗的主要對(duì)象之一是電機(jī)。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，電機(jī)消耗了美國(guó)一半以上的能量。在家庭中使用的電機(jī)數(shù)量一般不下50臺(tái)，一部汽車?yán)锿ǔＳ?0至80臺(tái)電機(jī)，至于在工業(yè)領(lǐng)域，工廠自動(dòng)化中應(yīng)用的電機(jī)更加比比皆是。
當(dāng)前，單片機(jī)（MCU）技術(shù)取得的進(jìn)步能夠比以往任何時(shí)候都更加有效地控制電機(jī)，而成本卻更低。這種進(jìn)步對(duì)市場(chǎng)的影響一方面加速了從機(jī)電控制到電子式控制的轉(zhuǎn)變，另一方面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速控制，優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行。而且，對(duì)整個(gè)市場(chǎng)而言，降低了元器件的整體成本。
單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)
與電機(jī)控制中經(jīng)常使用的有刷電機(jī)不同，單片機(jī)控制的無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)不存在電刷磨損和電弧，因而電機(jī)的使用壽命實(shí)質(zhì)上只受到軸承壽命的影響。此外，單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)越性還包括：
1． 更高的效率
2． 轉(zhuǎn)矩-慣性比高
3． 能達(dá)到更高的速度
4． 聽得見(jiàn)的噪聲更低
5． 更高的熱效率
6． 更低的電磁干擾
大量專門針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的8位單片機(jī)在解決數(shù)字電機(jī)控制問(wèn)題上是成本效益最高的方法之一。但在過(guò)去，集成的程度和可供選擇的產(chǎn)品一直有限。而現(xiàn)在，單片機(jī)性能高達(dá)10MIPS，具備的運(yùn)動(dòng)控制專用硬件包括中心對(duì)齊的14位脈寬調(diào)制器（PWM）、運(yùn)動(dòng)反饋模塊和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），使以往需要較昂貴處理器的應(yīng)用可以采用成本較低的8位單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
某些單片機(jī)，如PIC18F4431，在進(jìn)行三相PWM控制時(shí)，可用硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)所有三個(gè)相的驅(qū)動(dòng)，從而最大限度地降低了軟件的開發(fā)和調(diào)試工作量。該單片機(jī)最多有8個(gè)PWM通道，而一般只需6個(gè)通道即可驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)。因此，可以用另外兩個(gè)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)其它功能，無(wú)需再添加其它元器件。帶有正交編碼器接口的運(yùn)動(dòng)反饋模塊是單片機(jī)的一個(gè)組成部分，可減少元器件數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。
不僅如此，帶有一個(gè)運(yùn)行速度高達(dá)200 ksps的高速ADC的單片機(jī)，可以為閉環(huán)控制提供必要的速度。在兩個(gè)不同的通道上同時(shí)采樣，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣。在閉環(huán)電機(jī)控制中，需要這種高速的轉(zhuǎn)換進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量。ADC可在上升沿或下降沿保持與PWM同步，使開關(guān)噪聲降至最低。綜上所述，有了這些模塊就不需要任何外部的電機(jī)控制器件，如高速ADC和位置編碼器了。
在很多電機(jī)控制應(yīng)用中，故障防護(hù)操作是關(guān)鍵。帶有故障防護(hù)時(shí)鐘監(jiān)控器（其中內(nèi)部RC振蕩器在晶振失效時(shí)可以充當(dāng)備份時(shí)鐘）的單片機(jī)使設(shè)計(jì)人員得以利用可提供高可靠性的數(shù)字控制。只需利用PWM上的可編程死區(qū)時(shí)間延遲，即可最大限度地減小開關(guān)噪聲，同時(shí)還可以按時(shí)完成設(shè)計(jì)，將新產(chǎn)品投放市場(chǎng)；否則就需要額外增加幾周的開發(fā)時(shí)間，由此帶來(lái)的差別顯而易見(jiàn)。在各種情況下，具有高可靠性閃存的單片機(jī)，靈活性都很強(qiáng)，不僅可以讓產(chǎn)品按時(shí)上市，而且在電機(jī)安裝前或已經(jīng)投入使用后，都可以根據(jù)變化的要求進(jìn)行調(diào)整。

不同的需求、推動(dòng)力和解決方案
家用電器、工業(yè)和汽車這三大市場(chǎng)中對(duì)于電子電機(jī)控制的需要，證明具有先進(jìn)的電機(jī)控制外設(shè)的單片機(jī)是大有市場(chǎng)的。
在家用電器市場(chǎng)領(lǐng)域，為了符合政府推行的計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)環(huán)保局旨在促進(jìn)使用高效率家電的能源之星計(jì)劃，需要改進(jìn)電機(jī)控制。洗衣機(jī)就是迫切需要改進(jìn)電機(jī)控制的一類產(chǎn)品。直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)可以不再需要電機(jī)軸與滾筒之間的連接皮帶，同時(shí)還可設(shè)置各種速度范圍和使用不同形狀的滾筒。
某洗衣機(jī)廠商對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，結(jié)果比傳統(tǒng)的洗衣機(jī)的耗電量減少了38%， 用水量減少了17%。電機(jī)控制的單片機(jī)可根據(jù)衣物的數(shù)量和類別調(diào)整電機(jī)的功率。但是，洗衣機(jī)的購(gòu)買者對(duì)于購(gòu)買價(jià)格仍然十分在意，因此廠商必須不斷降低其開發(fā)和生產(chǎn)成本，才能為更廣大的消費(fèi)者群體提供更先進(jìn)而負(fù)擔(dān)得起的洗衣機(jī)。
在家用電器中，專門為低成本電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的8位單片機(jī)集成了各種功能，大大減少了額外元器件的需求。最新單片機(jī)具備片上電機(jī)PWM、故障防護(hù)時(shí)鐘監(jiān)控器以及高度可靠的閃存，使家用電器中電機(jī)控制的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，并滿足降低成本的目標(biāo)。
圖1  8位單片機(jī)驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)中三相ACIM變頻驅(qū)動(dòng)器的例子。
在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，裝配線運(yùn)行的用電成本與故障停機(jī)都將使利潤(rùn)減少。我們用工業(yè)用泵中基于單片機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)（VSD）系統(tǒng)取代閥門為例，來(lái)說(shuō)明改進(jìn)控制能力將如何直接影響效率和利潤(rùn)。
對(duì)于泵和風(fēng)扇而言，其功耗與轉(zhuǎn)軸速度的立方根成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)軸速度降低10%時(shí)，氣流也減小10%，但能耗減少27%！如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工業(yè)應(yīng)用的離心泵、風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)中，通過(guò)使用單片機(jī)進(jìn)行變速電機(jī)控制，取代速度恒定的電機(jī)和利用閥門減小氣流的方法，可以節(jié)能25%至40%，這已得到了證明。
用單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制在工業(yè)應(yīng)用中的收效十分明顯。因此，究竟是否采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的變速電機(jī)控制只需由其它一些因素來(lái)決定，如靈活性和可靠性等可避免故障的因素。具有閃存和EEPROM存儲(chǔ)器的單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)VSD電機(jī)控制，對(duì)于需要進(jìn)行升級(jí)或改善控制程序等變化，其再編程能力可滿足工業(yè)用戶所需的靈活性。Microchip的PIC18F2431或PIC18F4431等單片機(jī)具有16KB閃存和256字節(jié)EEPROM，這些8位單片機(jī)的存儲(chǔ)器足以應(yīng)對(duì)工業(yè)環(huán)境中各種必要的變動(dòng)。與之同等重要的是Microchip的閃存采用PMOS電可擦除單元（PEEC）工藝技術(shù)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的耐用性超過(guò)100萬(wàn)次擦/寫周期（典型值），而數(shù)據(jù)保存期超過(guò)40年。
在汽車應(yīng)用中使用電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)、開關(guān)門窗以及移動(dòng)座椅等已得到了廣泛應(yīng)用。這些不經(jīng)常使用的操作尚能容忍較低的效率，但是一些經(jīng)常使用的設(shè)備如乘客空調(diào)、發(fā)動(dòng)機(jī)箱內(nèi)風(fēng)扇等，則連續(xù)不斷地消耗著汽車中有限的能量。電機(jī)控制單片機(jī)可以使空調(diào)風(fēng)扇以恰當(dāng)?shù)乃俣冗\(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)保持適宜的溫度，從而降低噪聲和功耗。
在很多情況下，用于電機(jī)控制的單片機(jī)必須利用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）或局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）協(xié)議連接到汽車網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在的車身電子設(shè)備一般采用成本較低的LIN協(xié)議以降低總系統(tǒng)成本。有些單片機(jī)系列具備增強(qiáng)型USART模塊，它支持LIN 1.2，同時(shí)還提供起始位的自動(dòng)喚醒功能以及自動(dòng)波特率檢測(cè)。

更加高效的未來(lái)
隨著控制算法在各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域中復(fù)雜程度的不斷提高，數(shù)字電機(jī)控制器的處理能力需要從單片機(jī)的性能水平提升到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的性能水平。數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）性能更高而價(jià)格適中，采用設(shè)計(jì)人員熟悉的單片機(jī)技術(shù)，適用于更加復(fù)雜的電機(jī)控制設(shè)計(jì)，包括矢量控制設(shè)計(jì)。DSC的運(yùn)行速度高達(dá)30MIPS，并具有高達(dá)144KB的閃存和電機(jī)控制專用的集成外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的新型電機(jī)控制應(yīng)用。有了基于單片機(jī)和DSC的電子電機(jī)控制，家用電器、工業(yè)控制及汽車不僅運(yùn)行效率更高、功能更豐富，而價(jià)格也適中。