如何使創(chuàng)新的MCU實現(xiàn)高效節(jié)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(shù)來實現(xiàn)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(yè)領(lǐng)域，工廠自動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。在某些市場上，這能加快從機電向電子控制的轉(zhuǎn)變，從而能實現(xiàn)變速電機控制以優(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控制的無刷直流(BLDC)電機消除了刷子磨損和弧形機構(gòu)，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(tǒng)的優(yōu)勢還包括高效率、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)計用于電機控制的大批量生產(chǎn)的8位MCU是一種解決數(shù)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(xiàn)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(qū)動一個三相ACIM可變頻驅(qū)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(fā)和調(diào)試的軟件。高達8個可用的PWM通道，通常只需要6個來驅(qū)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(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(huán)電機控制中后端電動勢(EMF)時需要這樣的快速轉(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。總之，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(jiān)視器(一個內(nèi)部RC振蕩器，可以在晶振產(chǎn)生故障的時候用作備用時鐘)的MCU使設(shè)計工程師可以用能提供高可靠性的數(shù)字控制。像在PWM上的可編程停滯時間(deadtime)延時使切換噪聲最小化，可以減少數(shù)周的開發(fā)時間，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。

市場推動因素及解決方案

家用電子設(shè)備中的電子電機控制要求、工業(yè)和汽車市場促進了對具有先進的電機控制外設(shè)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(guī)劃標準，例如美國的環(huán)境保護機構(gòu)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(lǐng)域。直接驅(qū)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(chǎn)商的完全重新設(shè)計的洗衣機與傳統(tǒng)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(jù)洗衣量和類型調(diào)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(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(shè)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(jiān)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(shè)計，能實現(xiàn)低成本目標。

在工業(yè)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(guān)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(yè)例子就是：將一個工業(yè)抽水機中的閥用一個帶有基于MCU的可變速(VSD)系統(tǒng)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(jīng)證明對于工業(yè)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(jié)省。