如何使創(chuàng)新的MCU實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能電機(jī)控制？

電機(jī)對(duì)能耗的貢獻(xiàn)率在美國(guó)接近50%，因此降低電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)控制是一種有效的方法。本文介紹了最新的電機(jī)控制MCU技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用。

降低能耗的一個(gè)主要對(duì)象是電機(jī)，它消耗了美國(guó)總能耗的大約50%。家庭里隨便都可以找到超過50個(gè)電機(jī)，一般會(huì)有70到80個(gè)，在工業(yè)領(lǐng)域，工廠自動(dòng)控制對(duì)電機(jī)的利用也很廣泛。

今天，MCU技術(shù)的最近發(fā)展允許電機(jī)能在更低的成本下更高效地運(yùn)行。在某些市場(chǎng)上，這能加快從機(jī)電向電子控制的轉(zhuǎn)變，從而能實(shí)現(xiàn)變速電機(jī)控制以優(yōu)化電機(jī)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(jī)控制MCU

與經(jīng)常應(yīng)用在電機(jī)控制中的有刷電機(jī)相比，MCU控制的無刷直流(BLDC)電機(jī)消除了刷子磨損和弧形機(jī)構(gòu)，這樣電機(jī)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(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)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(jì)用于電機(jī)控制的大批量生產(chǎn)的8位MCU是一種解決數(shù)字電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制專用硬件(包括中心準(zhǔn)直的14位PWM、一個(gè)運(yùn)動(dòng)反饋模塊以及一個(gè)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(jī)中的應(yīng)用實(shí)例

8位微控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相ACIM可變頻驅(qū)動(dòng)。

某些MCU里的三相PWM控制，如PIC18F4431，可以用硬件提供一個(gè)BLDC的所有三項(xiàng)控制，盡量減少必須開發(fā)和調(diào)試的軟件。高達(dá)8個(gè)可用的PWM通道，通常只需要6個(gè)來驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)。因此，剩下的兩個(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)不同通道的同時(shí)采用使得對(duì)電壓和電流同時(shí)采樣成為可能。在測(cè)量閉環(huán)電機(jī)控制中后端電動(dòng)勢(shì)(EMF)時(shí)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(jī)控制器件，如高速ADC和位置編碼器。

在很多電機(jī)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(shí)鐘監(jiān)視器(一個(gè)內(nèi)部RC振蕩器，可以在晶振產(chǎn)生故障的時(shí)候用作備用時(shí)鐘)的MCU使設(shè)計(jì)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(shí)間(deadtime)延時(shí)使切換噪聲最小化，可以減少數(shù)周的開發(fā)時(shí)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(chǎng)推動(dòng)因素及解決方案

家用電子設(shè)備中的電子電機(jī)控制要求、工業(yè)和汽車市場(chǎng)促進(jìn)了對(duì)具有先進(jìn)的電機(jī)控制外設(shè)的MCU的需求。

在家電市場(chǎng)部分，需要性能提高的電機(jī)控制來滿足政府規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)的環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)的能源之星計(jì)劃，該計(jì)劃促進(jìn)廠商推出高效能家電。洗衣機(jī)是高性能電機(jī)控制的一個(gè)重要的領(lǐng)域。直接驅(qū)動(dòng)的洗衣機(jī)消除了電機(jī)軸與洗衣機(jī)攪動(dòng)器之間的傳動(dòng)帶，允許不同的速度和攪動(dòng)器模式。

一個(gè)生產(chǎn)商的完全重新設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)與傳統(tǒng)的洗衣機(jī)相比較，減少消耗38%的電量和17%的水。電機(jī)控制MCU根據(jù)洗衣量和類型調(diào)整電機(jī)的功率。然而，家電用戶依然對(duì)最初的購(gòu)買價(jià)格很敏感，因此生產(chǎn)商必須不斷降低它們的開發(fā)和生產(chǎn)成本，以使更先進(jìn)的電器能為更多的消費(fèi)者所接受。

在家電中，專門為低成本電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jī)PWM、故障安全時(shí)鐘監(jiān)視器和高可靠的閃存條件下，最新的MCU簡(jiǎn)化了家電電機(jī)控制的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)低成本目標(biāo)。

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

對(duì)于抽水機(jī)或風(fēng)扇，功耗與軸的速度立方根成正比，當(dāng)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(jī)控制，而不是恒速電機(jī)閥來減少流量，已經(jīng)證明對(duì)于工業(yè)應(yīng)用中的離心抽水機(jī)、風(fēng)扇和吹風(fēng)機(jī)來說可以得到 25-40%的能量節(jié)省。