利用先進(jìn)的MCU技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效率控制

　 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(lái)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(guò)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(wú)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(wú)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(wèn)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(lái)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@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(lái)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(lái)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(guò)使用MCU可變速電機(jī)控制，而不是恒速電機(jī)閥來(lái)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(lái)說(shuō)可以得到25-40%的能量節(jié)省。
工業(yè)應(yīng)用的效益是明顯的，使用MCU驅(qū)動(dòng)的變速電機(jī)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(lái)的停工。帶有閃存和EEPROM的MCU提供能通過(guò)可再編程特性，在當(dāng)需要升級(jí)或控制程序要求改變的時(shí)候來(lái)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(chǔ)器來(lái)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(shù)一般具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元能承受1百萬(wàn)次擦/寫循環(huán)，數(shù)據(jù)可以保持超過(guò)40年的性能。
　　已有的汽車電機(jī)應(yīng)用包括采用電機(jī)來(lái)打開和關(guān)閉車窗和車門，以及定位車座。由于這些應(yīng)用的使用頻率很低，因此對(duì)低效率并不敏感，但利用率高的應(yīng)用，例如乘客溫度環(huán)境控制和引擎箱的風(fēng)扇，則不斷地消耗汽車有限的電能。電機(jī)控制MCU使得環(huán)境控制扇只以一個(gè)能保持舒適溫度的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣使噪聲最小化，并減少功率消耗。 　　 在很多情況下，電機(jī)控制MCU必須使用控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)或本地互連網(wǎng)絡(luò)(LAN)來(lái)連接到汽車網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于車體電子，現(xiàn)在使用低成本LIN協(xié)議來(lái)減少整體系統(tǒng)成本。在一些MCU系列中，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)支持LIN1.2的USART模塊，同時(shí)提供在起始位的自動(dòng)喚醒和波特檢測(cè)(baud detect)。 　 　隨著控制算法在所有細(xì)分市場(chǎng)變得越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)字電機(jī)控制器的性能從MCU上升到DSP層次。數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)帶來(lái)了更高的性能和價(jià)格可接受的、對(duì)設(shè)計(jì)工程師友好的MCU技術(shù)用作更成熟的電機(jī)控制設(shè)計(jì)，包括那些具有向量控制的應(yīng)用。DSC工作速度高達(dá)30MIPS，帶有高達(dá)144KB的閃存和電機(jī)控制專用的集成外設(shè)實(shí)現(xiàn)了更先進(jìn)的、新的電機(jī)控制應(yīng)用。采用基于DSP和DSC的電子電機(jī)控制，家電產(chǎn)業(yè)控制和汽車不僅工作效率更高、提供更多功能，而且價(jià)格可接受。