如何使創(chuàng )新的MCU實(shí)現高效節能電機控制

電機對能耗的貢獻率在美國接近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(lái)實(shí)現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)展及其應用。

　　降低能耗的一個(gè)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(guò)50個(gè)電機，一般會(huì )有70到80個(gè)，在工業(yè)領(lǐng)域，工廠(chǎng)自動(dòng)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(chǎng)上，這能加快從機電向電子控制的轉變，從而能實(shí)現變速電機控制以?xún)?yōu)化電機的工作效率，并在器件的層面上降低所有應用的成本。

　　低成本無(wú)刷直流電機控制MCU

　　與經(jīng)常應用在電機控制中的有刷電機相比，MCU控制的無(wú)刷直流（BLDC）電機消除了刷子磨損和弧形機構，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電機系統的優(yōu)勢還包括高效率、高轉矩-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(zhuān)門(mén)設計用于電機控制的大批量生產(chǎn)的8位MCU是一種解決數字電機控制問(wèn)題的非常低成本方法。由于具有高達10MIPS 的性能和運動(dòng)控制專(zhuān)用硬件（包括中心準直的14位PWM、一個(gè)運動(dòng)反饋模塊以及一個(gè)高速ADC），以前需要很貴處理器的應用現在可以使用低成本的8位 MCU解決。

　　圖1：MCU在洗衣機中的應用實(shí)例

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

　　某些MCU里的三相PWM控制，如PIC18F4431，可以用硬件提供一個(gè)BLDC的所有三項控制，盡量減少必須開(kāi)發(fā)和調試的軟件。高達8個(gè)可用的PWM通道，通常只需要6個(gè)來(lái)驅動(dòng)三相電機。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動(dòng)反饋模塊減少了器件數量和系統成本。

　　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)采用使得對電壓和電流同時(shí)采樣成為可能。在測量閉環(huán)電機控制中后端電動(dòng)勢（EMF）時(shí)需要這樣的快速轉換，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)鐘監視器（一個(gè)內部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使設計工程師可以用能提供高可靠性的數字控制。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，可以減少數周的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并滿(mǎn)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要求變化來(lái)調整的靈活性。

　　市場(chǎng)推動(dòng)因素及解決方案

　　家用電子設備中的電子電機控制要求、工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)促進(jìn)了對具有先進(jìn)的電機控制外設的MCU的需求。

　　在家電市場(chǎng)部分，需要性能提高的電機控制來(lái)滿(mǎn)足政府規劃標準，例如美國的環(huán)境保護機構的能源之星計劃，該計劃促進(jìn)廠(chǎng)商推出高效能家電。洗衣機是高性能電機控制的一個(gè)重要的領(lǐng)域。直接驅動(dòng)的洗衣機消除了電機軸與洗衣機攪動(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)商的完全重新設計的洗衣機與傳統的洗衣機相