NEC 8位MCU降低180度馬達設計門(mén)檻點(diǎn)撥

電機是社會(huì )上各領(lǐng)域廣泛使用的且耗能巨大一種產(chǎn)品，如何提高電機效率，降低電機能耗成了電機發(fā)展的方向。直流無(wú)刷電機以其效率高，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛的使用。本文主要介紹了NEC專(zhuān)為變頻控制應用推出的8位MCU系列的特點(diǎn)以及使用uPD78F0712設計的永磁同步電機(PMSM)180°控制器解決方案。該方案具有低成本、高效率和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應用在了國內一些知名的空調廠(chǎng)商的空調室外風(fēng)機上

I 180°控制的應用場(chǎng)合及特點(diǎn)
在一些應用場(chǎng)合，要求馬達以不同的速度連續的運轉，因此要求低成本電機驅動(dòng)具有調速和節能或者低噪聲等特點(diǎn)，例如水泵、空調風(fēng)機等。類(lèi)似的這些場(chǎng)合不適合使用變頻器驅動(dòng)的交流異步電機，而適合使用小功率無(wú)刷直流電機進(jìn)行調速。
無(wú)刷直流電機分為方波控制（120°控制）的BLDC和正弦波控制（180°控制）的PMSM永磁同步電機。下表是各個(gè)電機控制特點(diǎn)比較：

由上表可以看出，在小功率電機范圍內，180°馬達控制具有噪聲低效率高的優(yōu)點(diǎn)。
永磁同步電機的180°控制有兩種方法：第一種直接輸入正弦波進(jìn)行PWM調制然后使用PID進(jìn)行控制；第二種是矢量控制(field oriented control, FOC)，對永磁同步電機轉子磁場(chǎng)解耦控制。下表是180°控制的兩種方式的特點(diǎn)

180°矢量控制FOC對MCU的要求：
由于矢量控制算法的復雜性，相比120°控制或者SPWM控制，180°的FOC對MCU有更高的要求。
1.較強的數學(xué)運算能力：矢量控制涉及到解耦控制、PID計算，因此對MCU要求有較強的運算能力和指令運行速度，一般的8位MCU難以滿(mǎn)足要求
2.較快的乘法計算：在矢量控制中要用到各種數學(xué)變換，變換中有很多乘法運算，因此對MCU要求有快速的乘法運算
3.轉速的反饋接收：閉環(huán)控制中，要求MCU能接受速度傳感器反饋的信息

II NEC的8位MCU
NEC專(zhuān)門(mén)為馬達變頻控制開(kāi)發(fā)了一系列的8位MCU：78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等。這類(lèi)MCU和16位機一樣集成了內部的硬件乘法器、功能強大的定時(shí)器、多個(gè)通用寄存器、快速的指令運行系統、可編程脈沖發(fā)生器、獨立的變頻控制模塊。這類(lèi)專(zhuān)有的硬件功能使得NEC的8位MCU相對其他品牌MCU更適合永磁同步電機的180°矢量控制。
更適合低成本180°矢量控制NEC的8位MCU特有功能：
1.硬件乘法器能夠更快的對矢量控制中的各種變換算法進(jìn)行運算，從而節省軟件運行時(shí)間
2.32個(gè)8位（16個(gè)16位）通用寄存器特有的 Bank結構使得永磁同步電機的180°矢量控制程序運行效率更高
3.多達6個(gè)外部中斷輸入，省卻硬件捕獲單元對速度傳感器信號進(jìn)行分析，降低180°馬達矢量控制方案的成本
4.在線(xiàn)自編程功能，可存儲馬達設置參數，省卻外部EEPROM，節省成本和空間，適合低成本的180°矢量控制
5.可編程脈沖發(fā)生器（PPG），能指定脈沖寬度、脈沖周期，可用于馬達頻率反饋，簡(jiǎn)化軟件的編程
6.帶2個(gè)自由中斷專(zhuān)用變頻控制模塊，2個(gè)自由中斷可在PWM周期的任意時(shí)刻產(chǎn)生中斷，可根據用戶(hù)需要的任意時(shí)刻對電流進(jìn)行采樣。
7.8-bit的可編程死區控制，死區時(shí)間范圍：0.1us～25.6us
8.獨立外部信號輸入，專(zhuān)用于控制PWM高阻態(tài)輸出，可用于馬達的緊急停車(chē)。

圖1顯示了8位變頻控制的MCU的特點(diǎn)，表3給對圖1中的各個(gè)功能給出了說(shuō)明。

表3 變頻控制用的8位MCU特點(diǎn)

III NEC的電機控制方案
下圖是NEC利用上述8位MCU uPD78F071x的特有的功能，開(kāi)發(fā)出一套低成本的180度矢量控制方案HS/DC-8，圖2為系統構成。

HS/DC-8正是利用8位MCU的特有的硬件功能來(lái)實(shí)現180°矢量控制(FOC)，通過(guò)反饋速度計算出矢量控制的PWM占空比的值，空間矢量PWM（SVPWM）輸出驅動(dòng)功率模塊，直接控制電機轉矩，電機的轉速反饋采用霍爾傳感器。

HS/DC-8驅動(dòng)器適用于額定容量為20W~1KW小功率電機，6~120Hz的電氣角頻率，永磁磁通0.5Wb以下。

HS/DC-8相比其他半導體廠(chǎng)商MCU的馬達控制方案具有以下優(yōu)勢：
低損耗，MCU中專(zhuān)用的變頻控制的定時(shí)器，可實(shí)現兩相調制的低損耗PWM方式，可將逆變器中的功率開(kāi)關(guān)管損耗降低30％左右，從而延長(cháng)驅動(dòng)器壽命
高效率、低噪聲，由于MCU的硬件乘法器可以快速的實(shí)現180°矢量控制算法，方案中又加入了自動(dòng)相位控制，確保馬達電流始終保持在最小值進(jìn)行自動(dòng)控制
豐富的保護和定制功能，依賴(lài)于MCU中強大的定時(shí)器功能、豐富的IO功能和AD功能，例如死區保護、霍爾類(lèi)型選定、頻率反饋脈沖數的選定、PWM初始化異常檢測、過(guò)壓保護、
低成本，8位MCU節省外部的EEPROM和內部的硬件捕獲單元，使得MCU成本降低

世強電訊的技術(shù)支持：
用戶(hù)除了能獲得NEC的8位MCU低成本、高性能的好處，還可以獲得世強電訊提供的技術(shù)支持服務(wù)。
a)應用咨詢(xún)：在一些工業(yè)或者消費類(lèi)的產(chǎn)品上面，世強電訊可根據客戶(hù)的實(shí)際情況提供電機使用環(huán)節的建議，例如使用什么樣的電機可以達到節能、成本最低的效果
b)方案設計：用戶(hù)實(shí)際應用HS/DC-8的方案時(shí)，需要在產(chǎn)品中對HS/DC-8的功能進(jìn)行增加或者刪減，以便實(shí)現更多的功能和減少不必要的成本。世強電訊可幫助客戶(hù)在產(chǎn)品設計中，考慮HS/DC-8的方案更改，為產(chǎn)品量身訂制特定的方案
c)硬件參考設計：HS/DC-8可以提供硬件參考設計并且給用戶(hù)預備了功能豐富的外部硬件接口，但實(shí)際用戶(hù)使用時(shí)需要設計產(chǎn)品自身的硬件接口以便能對HS/DC-8進(jìn)行外部的控制。例如可以增加通訊硬件功能，人機界面硬件功能
d)軟件設計：HS/DC-8已經(jīng)提供了豐富的保護和定制功能，以適應用戶(hù)不同的馬達系統，世強電訊可以幫助用戶(hù)設定參數，產(chǎn)品軟件調試等。