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(jìn)的微控制器（MCU）技術(shù)來(lái)實(shí)現電機控制是一種有效的方法。本文介紹了的電機控制MCU技術(shù)發(fā)展及其應用。

降低能耗的一個(gè)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(guò)50個(gè)電機，一般會(huì )有70到80個(gè)，在工業(yè)領(lǐng)域，工廠(chǎng)自動(dòng)控制對電機的利用也很廣泛。

今天，MCU技術(shù)的近發(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(chǎng)上，這能加快從機電向電子控制的轉變，從而能實(shí)現變速電機控制以?xún)?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(wú)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(wú)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(zhì)上僅僅受限于軸承的壽命。此外，基于MCU的BLDC電機系統的優(yōu)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(zhuān)門(mén)設計用于電機控制的大批量生產(chǎn)的8位MCU是一種解決數字電機控制問(wèn)題的非常低成本方法。由于具有高達10MIPS 的性能和運動(dòng)控制專(zhuān)用硬件（包括中心準直的14位PWM、一個(gè)運動(dòng)反饋模塊以及一個(gè)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(shí)例

8位微控制器驅動(dòng)一個(gè)三相ACIM可變頻驅動(dòng)。

某些MCU里的三相PWM控制，如PIC18F4431，可以用硬件提供一個(gè)BLDC的所有三項控制，盡量減少必須開(kāi)發(fā)和調試的軟件。高達8個(gè)可用的PWM通道，通常只需要6個(gè)來(lái)驅動(dòng)三相電機。因此，剩下的兩個(gè)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(dòng)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(huán)控制所必要的速度。兩個(gè)不同通道的同時(shí)采用使得對電壓和電流同時(shí)采樣成為可能。在測量閉環(huán)電機控制中后端電動(dòng)勢（EMF）時(shí)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(shí)鐘監視器（一個(gè)內部RC振蕩器，可以在晶振產(chǎn)生故障的時(shí)候用作備用時(shí)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(shí)間（deadtime）延時(shí)使切換噪聲化，可以減少數周的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并滿(mǎn)足關(guān)鍵的程序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要求變化來(lái)調整的靈活性。

市場(chǎng)推動(dòng)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(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)促進(jìn)了對具有先進(jìn)的電機控制外設的MCU的需求。

在家電市場(chǎng)部分，需要性能提高的電機控制來(lái)滿(mǎn)足政府規劃標準，例如美國的環(huán)境保護機構的能源之星計劃，該計劃促進(jìn)廠(chǎng)商推出高效能家電。洗衣機是高性能電機控制的一個(gè)重要的領(lǐng)域。直接驅動(dòng)的洗衣機消除了電機軸與洗衣機攪動(dòng)器之間的傳動(dòng)帶，允許不同的速度和攪動(dòng)器模式。

一個(gè)生產(chǎn)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(lèi)型調整電機的功率。然而，家電用戶(hù)依然對初的購買(mǎi)價(jià)格很敏感，因此生產(chǎn)商必須不斷降低它們的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，以使更先進(jìn)的電器能為更多的消費者所接受。

在家電中，專(zhuān)門(mén)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(shí)鐘監視器和高可靠的閃存條件下，的MCU簡(jiǎn)化了家電電機控制的設計，能實(shí)現低成本目標。

在工業(yè)應用中，電力成本和裝配操作的停工時(shí)間會(huì )降低廠(chǎng)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(gè)工業(yè)例子就是：將一個(gè)工業(yè)抽水機中的閥用一個(gè)帶有基于MCU的可變速（VSD）系統替換。

對于抽水機或風(fēng)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(guò)使用MCU可變速電機控制，而不是恒速電機閥來(lái)減少流量，已經(jīng)證明對于工業(yè)應用中的離心抽水機、風(fēng)扇和吹風(fēng)機來(lái)說(shuō)可以得到 25-40%的能量節省。

工業(yè)應用的效益是明顯的，使用MCU驅動(dòng)的變速電機控制依賴(lài)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(lái)的停工。帶有閃存和EEPROM的MCU提供能通過(guò)可再編程特性，在當需要升級或控制程序要求改變的時(shí)候來(lái)解決工業(yè)用戶(hù)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(lái)處理在工業(yè)環(huán)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(shù)一般具有數據存儲單元能承受1百萬(wàn)次擦/寫(xiě)循環(huán)，數據可以保持超過(guò)40年的性能。

已有的汽車(chē)電機應用包括采用電機來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉車(chē)窗和車(chē)門(mén)，以及定位車(chē)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(huán)境控制和引擎箱的風(fēng)扇，則不斷地消耗汽車(chē)有限的電能。電機控制MCU使得環(huán)境控制扇只以一個(gè)能保持舒適溫度的速度運轉，這樣使噪聲化，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(wǎng)絡(luò )（CAN）或本地互連網(wǎng)絡(luò )（LAN）來(lái)連接到汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )。對于車(chē)體電子，現在使用低成本LIN協(xié)議來(lái)減少整體系統成本。在一些MCU系列中，可以發(fā)現一個(gè)支持LIN1.2的USART模塊，同時(shí)提供在起始位的自動(dòng)喚醒和波特檢測 （baud detect）。

隨著(zhù)控制算法在所有細分市場(chǎng)變得越來(lái)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(lái)了更高的性能和價(jià)格可接受的、對設計工程師友好的MCU技術(shù)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(zhuān)用的集成外設實(shí)現了更先進(jìn)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(chǎn)業(yè)控制和汽車(chē)不僅工作效率更高、提供更多功能，而且價(jià)格可接受。