給大家推薦一種新型高效低成本變速通用電機控制方案，以及說(shuō)明這一方案是如何利用新型片上集成數字模塊和先進(jìn)的模擬硬件模塊，以最少的外部組件和固件實(shí)現速度控制和故障停機功能的。
成本一直是各種消費類(lèi)電器中實(shí)現智能電機控制的主要障礙。一般很多廚房和車(chē)庫電器、電動(dòng)工具以及其他小家電中所用的傳統通用型電動(dòng)機都不能精確地控制速度。電動(dòng)機基本上只有關(guān)和開(kāi)兩種狀態(tài)。但通過(guò)數字電源管理系統來(lái)進(jìn)行精確變速控制可以實(shí)現很多巨大的優(yōu)勢，包括：
-更低的功耗
-更高的安全性
-更長(cháng)的工具壽命
-更便于使用
-更先進(jìn)的操作控制。
-將電器開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生電涌從而導致電路斷開(kāi)的風(fēng)險最小化

解決成本與復雜性問(wèn)題
電子行業(yè)流行這么一個(gè)“傳統”觀(guān)點(diǎn)：能進(jìn)行直接準確變速控制的系統所需的組件實(shí)在太貴了，根本無(wú)法用于價(jià)格敏感型消費電器中。這種觀(guān)點(diǎn)認為，與其開(kāi)發(fā)并執行這樣的控制系統，提高最終產(chǎn)品零售價(jià)格并因此而使之對人們失去吸引力，還不如保持電器的低成本，放棄智能電機控制的 優(yōu)勢。另外，由于快速過(guò)電流檢測、故障控制、系統可靠性和效率等問(wèn)題，電機控制應用還帶來(lái)了棘手的工程難題。
由于對快速準確回路控制的需求，以及通過(guò)數字電源管理執行智能電機控制所需要組件的數量和成本，這些控制器應用給MCU樹(shù)立了標準，要求它必須提供一流的性能和豐富的綜合型先進(jìn)功能，以簡(jiǎn)化閉合回路控制設計在通用電機控制領(lǐng)域的執行。近幾年專(zhuān)門(mén)用于電機控制的微控制器(MCU)已經(jīng)問(wèn)世，集成了8 位計算引擎、模數轉換器(ADC)、比較器、計數器、定時(shí)器以及其它電路來(lái)控制電機速度，以滿(mǎn)足負載的功率要求。由于快速而精確的閉環(huán)控制以及所需支持組件的數量和成本，這種控制器在對 MCU 的預期方面樹(shù)立了新標桿。目前MCU生產(chǎn)商所面臨的問(wèn)題是如何在確保集成恰當的外部組件和功能的同時(shí)還能保持產(chǎn)品價(jià)格對消費者的吸引力。

最佳方法
圖1展示了一個(gè)面向先進(jìn)電機控制尤其是通用電機控制應用的低成本高效型數字功率管理方案。其中的片上模擬外圍設備都是由ZiLOG開(kāi)發(fā)并集成到它的一款8位MCU上的。
 
圖1 ZiLOG 8位MCU框架圖
在這個(gè)例子中，MCU的10位ADC能夠提供多達四個(gè)單端/差分通道和一個(gè)可選的 1X 差分輸入緩沖區。另外，ADC 模塊中還集成了一個(gè)片上低功率運算放大器，從而不再需要另外的外部組件就能夠獲得高精度電流測量。結合這個(gè)多通道 ADC，MCU 的兩個(gè)具有脈寬調制(PWM )以及采集與比較功能的增強型16 位定時(shí)器模塊可以同時(shí)操作兩個(gè)負載(即電機)，同時(shí)，直接 LED 驅動(dòng)輸出可用來(lái)在出現預設事件時(shí)觸發(fā) LED，而不需要額外的硬件。該方案還由其它特征，包括一個(gè)模擬比較器、一套用于確�？煽啃缘�“防故障”振蕩器機制、一個(gè)片上集 成溫度傳感器和高達128B 的非易失性數據存儲空間(NVDS)。圖 2 是款使用了ZiLOG MCU 的通用電機的結構圖。

 
圖2 通用電機控制系統框架圖

電機控制的主要功能
這個(gè)特別的數字公里發(fā)管理方案提供了通用電機所需的主要控制功能：“軟啟動(dòng)”、過(guò)電流故障保護和使用片上比較器測定交流電路過(guò)零點(diǎn)以確保 MCU 輸出信號同步的能力。我們來(lái)逐條分析一下，并看看該方案是如何滿(mǎn)足這些要求的：
(1)軟啟動(dòng)
“軟啟動(dòng)”功能確保在電機打開(kāi)時(shí)功率逐漸地而不是突然輸出到電機。通過(guò)使用 MCU 的單 I/O 輸出控制 TRIAC 的觸發(fā)/點(diǎn)火角來(lái)實(shí)現可調控制。這種功能最大程度地減少了啟動(dòng)時(shí)轉子的過(guò)沖和不平穩運動(dòng)，從而減少電機磨損，并防止需量的突變，避免電路斷開(kāi)以致剛開(kāi)啟的和正在運行的電器都被關(guān)斷的情況。
ZiLOG的軟啟動(dòng)實(shí)現方法采用了一個(gè)定時(shí)器和重新載入定時(shí)器高低字節時(shí)使用的一個(gè)查找表。在交流信號的一個(gè)半周期內可以實(shí)現二十個(gè)均勻分布的 觸發(fā)角。通過(guò)這種方法可以調節 TRIAC 觸發(fā)角(如圖3)，以調整輸送給電機的功率。這種軟啟動(dòng)方案使用一個(gè)10 微秒輸出脈沖寬度觸發(fā)TRIAC，在此期間觸發(fā)角從 18°上升至162° (一個(gè)半周期的 10% 至 90%)，此時(shí)電機過(guò)渡到正常滿(mǎn)速運轉。
(2)過(guò)電流故障保護
大多數電機控制都需要過(guò)電流故障保護。過(guò)電流故障的原因有很多，例如電機繞組短路、電機引線(xiàn)短路、機械驅動(dòng)與連接裝置故障、功率器件損壞、接線(xiàn) 錯誤等，會(huì )導致電器損毀。在出現過(guò)電流故障時(shí)，不管原因是什么，都必須立即停止電機轉動(dòng)以防止損壞。雖然保護電路必須動(dòng)作迅速，但是最好逐周期地關(guān)掉 PWM 輸出，并且在不能繼續發(fā)現故障條件時(shí)恢復正常運轉，而不要一下子完全關(guān)斷整個(gè)系統。如果這種方法不能解決問(wèn)題，那么再關(guān)斷系統。
這個(gè)電機控制器方案以一個(gè)感應電阻來(lái)測量電機電流(圖 2)，并把信號傳輸到片上集成 ADC。過(guò)電流門(mén)限值是可以設置的，而一旦電流達到這個(gè)門(mén)限值，系統就會(huì )啟動(dòng)一個(gè)中斷服務(wù)程序，然后終止輸送到TRIAC 的觸發(fā)脈沖，并最終關(guān)閉系統。
(3)過(guò)零點(diǎn)
要控制電機速度，TRIAC 的觸發(fā)角必須與交流電路電壓同步，因此，必須測定這種信號的過(guò)零時(shí)刻。iLOG 的電機控制方案使用了一個(gè)片上集成的模擬比較器，不再需要外部組件，因此有助于降低成本和系統復雜性。圖 3 展示了用來(lái)實(shí)現變速控制的不同的TRIAC 觸發(fā)角。在圖中所示的應用中，TRIAC 的觸發(fā)角被設為 9° 。

由于成本和系統復雜性的原因，各種家電和便攜式工具中使用的傳統通用電機一般都缺乏精確電機控制，而要解決這一問(wèn)題，可以使用一個(gè)數字電源管理來(lái)實(shí)現變速控制，以提供各種明顯的優(yōu)勢，并防止啟動(dòng)電器時(shí)可能出現的煩人又危險的會(huì )導致電路斷開(kāi)的電涌。
本文采用了片上集成數字模塊和先進(jìn)的模擬硬件模塊，提供了一種通用電機控制方案，能克服阻礙在各種價(jià)格敏感型電器上執行智能控制的成本與復雜性問(wèn)題。