利用微控制器技术提高电机能源利用率

   电机对能耗的贡献率在美国接近50%，因此降低电机能耗可以有效地提高能源利用率，而采用先进的微控制器(MCU)技术来实现电机控制是一种可行的方法。本文介绍了最新的电机控制MCU技术发展及其应用。

    降低能耗的一个主要对象是电机，它消耗了美国总能耗的大约50%。家庭里随便都可以找到超过50个电机，一般会有70到80个，在工业领域，工厂自动控制对电机的利用也很广泛。

    今天，MCU技术的最近发展允许电机能在更低的成本下更高效地运行。在某些市场上，这能加快从机电向电子控制的转变，从而能实现变速电机控制以优化电机的工作效率，并在器件的层面上降低所有应用的成本。

    低成本无刷直流电机控制MCU

    与经常应用在电机控制中的有刷电机相比，MCU控制的无刷直流(BLDC)电机消除了刷子磨损和弧形机构，这样电机的寿命本质上仅仅受限于轴承的寿命。此外，基于MCU的BLDC电机系统的优势还包括高效率、高转矩-惯量比、更高的速度性能、低噪声、更好的热效率和低EMI特性。

    利用专门设计用于电机控制的大批量生产的8位MCU是一种解决数字电机控制问题的非常低成本方法。由于具有高达10MIPS的性能和运动控制专用硬件(包括中心准直的14位PWM、一个运动反馈模块以及一个高速ADC)，以前需要很贵处理器的应用现在可以使用低成本的8位MCU解决。

图1：MCU在洗衣机中的应用实例：8位微控制器驱动一个三相ACIM可变频驱动。

    某些MCU里的三相PWM控制，如PIC18F4431，可以用硬件提供一个BLDC的所有三项控制，尽量减少必须开发和调试的软件。高达8个可用的PWM通道，通常只需要6个来驱动三相电机。因此，剩下的两个通道可以用作其他功能，而不需要额外的器件。作为MCU的主要部分的带积分编码器接口的运动反馈模块减少了器件数量和系统成本。

    具有采样率为每秒200K的ADC的MCU可提供闭环控制所必要的速度。两个不同通道的同时采用使得对电压和电流同时采样成为可能。在测量闭环电机控制中后端电动势(EMF)时需要这样的快速转换，在上升或下降沿使ADC与PWM同步的能力使切换噪声最小化。总之，这些模块使得不需要外部电机控制器件，如高速ADC和位置编码器。

    在很多电机控制应用中，故障安全操作(fail-safe operation)非常重要。带有故障安全时钟监视器(一个内部RC振荡器，可以在晶振产生故障的时候用作备用时钟)的MCU使设计工程师可以用能提供高可靠性的数字控制。像在PWM上的可编程停滞时间(deadtime)延时使切换噪声最小化，可以减少数周的开发时间，并满足关键的程序最终期限要求以使新产品得以面市。在所有的情况下，带有可靠闪存的MCU提供快速面市的可能，以及在安装之前或在使用中根据要求变化来调整的灵活性。

    市场推动因素及解决方案

    家用电子设备中的电子电机控制要求、工业和汽车市场促进了对具有先进的电机控制外设的MCU的需求。

    在家电市场部分，需要性能提高的电机控制来满足政府规划标准，例如美国的环境保护机构的能源之星计划，该计划促进厂商推出高效能家电。洗衣机是高性能电机控制的一个重要的领域。直接驱动的洗衣机消除了电机轴与洗衣机搅动器之间的传动带，允许不同的速度和搅动器模式。

    一个生产商的完全重新设计的洗衣机与传统的洗衣机相比较，减少消耗38%的电量和17%的水。电机控制MCU根据洗衣量和类型调整电机的功率。然而，家电用户依然对最初的购买价格很敏感，因此生产商必须不断降低它们的开发和生产成本，以使更先进的电器能为更多的消费者所接受。

    在家电中，专门为低成本电机控制应用设计的8位MCU集成了能尽量减少额外器件的功能。在电路板上的电机PWM、故障安全时钟监视器和高可靠的闪存条件下，最新的MCU简化了家电电机控制的设计，能实现低成本目标。

    在工业应用中，电力成本和装配操作的停工时间会降低厂商的收益。关于电机性能提升的控制如何直接影响效率和收益的一个工业例子就是：将一个工业抽水机中的阀用一个带有基于MCU的可变速(VSD)系统替换。

    对于抽水机或风扇，功耗与轴的速度立方根成正比，当轴速度降低10%，流量降低10%，功耗降低27%。如果速度降低20%，功耗降低49%。通过使用MCU可变速电机控制，而不是恒速电机阀来减少流量，已经证明对于工业应用中的离心抽水机、风扇和吹风机来说可以得到25-40%的能量节省。

    工业应用的效益是明显的，使用MCU驱动的变速电机控制依赖于其他因素，例如灵活性和可靠性-这些因素能避免故障或检修带来的停工。带有闪存和EEPROM的MCU提供能通过可再编程特性，在当需要升级或控制程序要求改变的时候来解决工业用户要求的灵活性。带16KB闪存和256B EEPROM的MCU在8位MCU中提供了足够的存储器来处理在工业环境中可能需要的很多改变。同样重要的是，MicroChip公司的闪存采用的PMOS电子可擦除的单元处理技术一般具有数据存储单元能承受1百万次擦/写循环，数据可以保持超过40年的性能。

    已有的汽车电机应用包括采用电机来打开和关闭车窗和车门，以及定位车座。由于这些应用的使用频率很低，因此对低效率并不敏感，但利用率高的应用，例如乘客温度环境控制和引擎箱的风扇，则不断地消耗汽车有限的电能。电机控制MCU使得环境控制扇只以一个能保持舒适温度的速度运转，这样使噪声最小化，并减少功率消耗。

    在很多情况下，电机控制MCU必须使用控制区域网络(CAN)或本地互连网络(LAN)来连接到汽车网络。对于车体电子，现在使用低成本LIN协议来减少整体系统成本。在一些MCU系列中，可以发现一个支持LIN1.2的USART模块，同时提供在起始位的自动唤醒和波特检测(baud detect)。

    随着控制算法在所有细分市场变得越来越复杂，数字电机控制器的性能从MCU上升到DSP层次。数字信号控制器(DSC)带来了更高的性能和价格可接受的、对设计工程师友好的MCU技术用作更成熟的电机控制设计，包括那些具有向量控制的应用。DSC工作速度高达30MIPS，带有高达144KB的闪存和电机控制专用的集成外设实现了更先进的、新的电机控制应用。采用基于DSP和DSC的电子电机控制，家电产业控制和汽车不仅工作效率更高、提供更多功能，而且价格可接受。