如何使創新的MCU實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，而采用先進的微控制器（MCU）技術來實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技術發展及其應用。

　　降低能耗的一個主要對象是電機，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50個電機，一般會有70到80個，在工業領域，工廠自動控制對電機的利用也很廣泛。

　　今天，MCU技術的最近發展允許電機能在更低的成本下更高效地運行。在某些市場上，這能加快從機電向電子控制的轉變，從而能實現變速電機控制以優化電機的工作效率，并在器件的層面上降低所有應用的成本。

　　低成本無刷直流電機控制MCU

　　與經常應用在電機控制中的有刷電機相比，MCU控制的無刷直流（BLDC）電機消除了刷子磨損和弧形機構，這樣電機的壽命本質上僅僅受限于軸承的壽命。此外，基于MCU的BLDC電機系統的優勢還包括高效率、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。

　　利用專門設計用于電機控制的大批量生產的8位MCU是一種解決數字電機控制問題的非常低成本方法。由于具有高達10MIPS 的性能和運動控制專用硬件（包括中心準直的14位PWM、一個運動反饋模塊以及一個高速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例

　　8位微控制器驅動一個三相ACIM可變頻驅動。

　　某些MCU里的三相PWM控制，如PIC18F4431，可以用硬件提供一個BLDC的所有三項控制，盡量減少必須開發和調試的軟件。高達8個可用的PWM通道，通常只需要6個來驅動三相電機。因此，剩下的兩個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可提供閉環控制所必要的速度。兩個不同通道的同時采用使得對電壓和電流同時采樣成為可能。在測量閉環電機控制中后端電動勢（EMF）時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。帶有故障安全時鐘監視器（一個內部RC振蕩器，可以在晶振產生故障的時候用作備用時鐘）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上的可編程停滯時間（deadtime）延時使切換噪聲最小化，可以減少數周的開發時間，并滿足關鍵的程序最終期限要求以使新產品得以面市。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調整的靈活性。

　　市場推動因素及解決方案

　　家用電子設備中的電子電機控制要求、工業和汽車市場促進了對具有先進的電機控制外設的MCU的需求。

　　在家電市場部分，需要性能提高的電機控制來滿足政府規劃標準，例如美國的環境保護機構的能源之星計劃，該計劃促進廠商推出高效能家電。洗衣機是高性能電機控制的一個重要的領域。直接驅動的洗衣機消除了電機軸與洗衣機攪動器之間的傳動帶，允許不同的速度和攪動器模式。

　　一個生產商的完全重新設計的洗衣機與傳統的洗衣機相比較，減少消耗38%的電量和17%的水。電機控制MCU根據洗衣量和類型調整電機的功率。然而，家電用戶依然對最初的購買價格很敏感，因此生產商必須不斷降低它們的開發和生產成本，以使更先進的電器能為更多的消費者所接受。

　　在家電中，專門為低成本電機控制應用設計的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PWM、故障安全時鐘監視器和高可靠的閃存條件下，最新的MCU簡化了家電電機控制的設計，能實現低成本目標。

　　在工業應用中，電力成本和裝配操作的停工時間會降低廠商的收益。關于電機性能提升的控制如何直接影響效率和收益的一個工業例子就是：將一個工業抽水機中的閥用一個帶有基于MCU的可變速（VSD）系統替換。

　　對于抽水機或風扇，功耗與軸的速度立方根成正比，當軸速度降低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可變速電機控制，而不是恒速電機閥來減少流量，已經證明對于工業應用中的離心抽水機、風扇和吹風機來說可以得到 25-40%的能量節省。

　　工業應用的效益是明顯的，使用MCU驅動的變速電機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的停工。帶有閃存和EEPROM的MCU提供能通過可再編程特性，在當需要升級或控制程序要求改變的時候來解決工業用戶要求的靈活性。帶16KB閃存和 256B EEPROM的MCU在8位MCU中提供了足夠的存儲器來處理在工業環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一般具有數據存儲單元能承受1百萬次擦/寫循環，數據可以保持超過40年的性能。

　　已有的汽車電機應用包括采用電機來打開和關閉車窗和車門，以及定位車座。由于這些應用的使用頻率很低，因此對低效率并不敏感，但利用率高的應用，例如乘客溫度環境控制和引擎箱的風扇，則不斷地消耗汽車有限的電能。電機控制MCU使得環境控制扇只以一個能保持舒適溫度的速度運轉，這樣使噪聲最小化，并減少功率消耗。

　　在很多情況下，電機控制MCU必須使用控制區域網絡（CAN）或本地互連網絡（LAN）來連接到汽車網絡。對于車體電子，現在使用低成本LIN協議來減少整體系統成本。在一些MCU系列中，可以發現一個支持LIN1.2的USART模塊，同時提供在起始位的自動喚醒和波特檢測 （baud detect）。

　　隨著控制算法在所有細分市場變得越來越復雜，數字電機控制器的性能從MCU上升到DSP層次。數字信號控制器（DSC）帶來了更高的性能和價格可接受的、對設計工程師友好的MCU技術用作更成熟的電機控制設計，包括那些具有向量控制的應用。DSC工作速度高達30MIPS，帶有高達144KB的閃存和電機控制專用的集成外設實現了更先進的、新的電機控制應用。采用基于DSP和DSC的電子電機控制，家電產業控制和汽車不僅工作效率更高、提供更多功能，而且價格可接受。