時(shÃ)間:2013-08-13 17:29:24來(lái)æºï¼šå‚³å‹•(dòng)ç¶²(wÇŽng)
電機(jÄ«)å°(duì)能耗的貢ç»(xià n)率在美國(guó)接近50%ï¼Œå› æ¤é™ä½Žé›»æ©Ÿ(jÄ«)能耗能有效地æé«˜èƒ½æºåˆ©ç”¨çŽ‡ï¼Œè€Œé‡‡ç”¨å…ˆé€²(jìn)的微控制器(MCU)技術(shù)來(lái)實(shÃ)ç¾(xià n)電機(jÄ«)控制是一種有效的方法。本文介紹了最新的電機(jÄ«)控制MCU技術(shù)發(fÄ)展åŠå…¶æ‡‰(yÄ«ng)用。
é™ä½Žèƒ½è€—的一個(gè)主è¦å°(duì)象是電機(jÄ«),它消耗了美國(guó)總能耗的大約50%。家åºé‡Œéš¨ä¾¿éƒ½å¯ä»¥æ‰¾åˆ°è¶…éŽ(guò)50個(gè)電機(jÄ«),一般會(huì)有70到80個(gè),在工æ¥(yè)é ˜(lÇng)åŸŸï¼Œå·¥å» è‡ªå‹•(dòng)控制å°(duì)電機(jÄ«)的利用也很廣泛。
今天,MCU技術(shù)的最近發(fÄ)展å…許電機(jÄ«)èƒ½åœ¨æ›´ä½Žçš„æˆæœ¬ä¸‹æ›´é«˜æ•ˆåœ°é‹(yùn)行。在æŸäº›å¸‚å ´(chÇŽng)ä¸Šï¼Œé€™èƒ½åŠ å¿«å¾žæ©Ÿ(jÄ«)é›»å‘é›»åæŽ§åˆ¶çš„轉(zhuÇŽn)變,從而能實(shÃ)ç¾(xià n)變速電機(jÄ«)控制以優(yÅu)化電機(jÄ«)的工作效率,并在器件的層é¢ä¸Šé™ä½Žæ‰€æœ‰æ‡‰(yÄ«ng)ç”¨çš„æˆæœ¬ã€‚
ä½Žæˆæœ¬ç„¡(wú)刷直æµé›»æ©Ÿ(jÄ«)控制MCU
與經(jÄ«ng)常應(yÄ«ng)用在電機(jÄ«)控制ä¸çš„æœ‰åˆ·é›»æ©Ÿ(jÄ«)相比,MCU控制的無(wú)刷直æµ(BLDC)電機(jÄ«)消除了刷å磨æå’Œå¼§å½¢æ©Ÿ(jÄ«)æ§‹(gòu),這樣電機(jÄ«)的壽命本質(zhì)上僅僅å—é™äºŽè»¸æ‰¿çš„壽命。æ¤å¤–,基于MCUçš„BLDC電機(jÄ«)系統(tÇ’ng)的優(yÅu)å‹¢(shì)還包括高效率ã€é«˜è½‰(zhuÇŽn)矩-æ…£é‡æ¯”ã€æ›´é«˜çš„速度性能ã€ä½Žå™ªè²ã€æ›´å¥½çš„熱效率和低EMI特性。
利用專門è¨(shè)計(jì)用于電機(jÄ«)控制的大批é‡ç”Ÿç”¢(chÇŽn)çš„8ä½MCU是一種解決數(shù)å—電機(jÄ«)控制å•(wèn)題的éžå¸¸ä½Žæˆæœ¬æ–¹æ³•。由于具有高é”(dá)10MIPS的性能和é‹(yùn)å‹•(dòng)控制專用硬件(包括ä¸å¿ƒæº–(zhÇ”n)ç›´çš„14ä½PWMã€ä¸€å€‹(gè)é‹(yùn)å‹•(dòng)å饋模塊以åŠä¸€å€‹(gè)高速ADC),以å‰éœ€è¦å¾ˆè²´è™•ç†å™¨çš„æ‡‰(yÄ«ng)用ç¾(xià n)在å¯ä»¥ä½¿ç”¨ä½Žæˆæœ¬çš„8ä½MCU解決。
圖1:MCU在洗衣機(jÄ«)ä¸çš„æ‡‰(yÄ«ng)用實(shÃ)例
8ä½å¾®æŽ§åˆ¶å™¨é©…(qÅ«)å‹•(dòng)一個(gè)三相ACIMå¯è®Šé »é©…(qÅ«)å‹•(dòng)。
æŸäº›MCU里的三相PWM控制,如PIC18F4431,å¯ä»¥ç”¨ç¡¬ä»¶æä¾›ä¸€å€‹(gè)BLDCçš„æ‰€æœ‰ä¸‰é …(xià ng)æŽ§åˆ¶ï¼Œç›¡é‡æ¸›å°‘å¿…é ˆé–‹(kÄi)發(fÄ)和調(dià o)試的軟件。高é”(dá)8個(gè)å¯ç”¨çš„PWM通é“,通常åªéœ€è¦6個(gè)來(lái)é©…(qÅ«)å‹•(dòng)三相電機(jÄ«)ã€‚å› æ¤ï¼Œå‰©ä¸‹çš„兩個(gè)通é“å¯ä»¥ç”¨ä½œå…¶ä»–功能,而ä¸éœ€è¦é¡å¤–的器件。作為MCU的主è¦éƒ¨åˆ†çš„帶ç©åˆ†ç·¨ç¢¼å™¨æŽ¥å£çš„é‹(yùn)å‹•(dòng)å饋模塊減少了器件數(shù)é‡å’Œç³»çµ±(tÇ’ng)æˆæœ¬ã€‚
具有采樣率為æ¯ç§’200Kçš„ADCçš„MCUå¯æä¾›é–‰ç’°(huán)控制所必è¦çš„速度。兩個(gè)ä¸åŒé€šé“çš„åŒæ™‚(shÃ)采用使得å°(duì)電壓和電æµåŒæ™‚(shÃ)采樣æˆç‚ºå¯èƒ½ã€‚在測(cè)é‡é–‰ç’°(huán)電機(jÄ«)控制ä¸åŽç«¯é›»å‹•(dòng)å‹¢(shì)(EMF)時(shÃ)需è¦é€™æ¨£çš„快速轉(zhuÇŽn)æ›ï¼Œåœ¨ä¸Šå‡æˆ–䏋陿²¿ä½¿ADC與PWMåŒæ¥çš„能力使切æ›å™ªè²æœ€å°åŒ–。總之,這些模塊使得ä¸éœ€è¦å¤–部電機(jÄ«)控制器件,如高速ADCå’Œä½ç½®ç·¨ç¢¼å™¨ã€‚
在很多電機(jÄ«)控制應(yÄ«ng)用ä¸ï¼Œæ•…障安全æ“作(fail-safeoperation)éžå¸¸é‡è¦ã€‚帶有故障安全時(shÃ)é˜ç›£(jiÄn)視器(一個(gè)å…§(nèi)部RC振蕩器,å¯ä»¥åœ¨æ™¶æŒ¯ç”¢(chÇŽn)生故障的時(shÃ)候用作備用時(shÃ)é˜)çš„MCU使è¨(shè)計(jì)工程師å¯ä»¥ç”¨èƒ½æä¾›é«˜å¯é 性的數(shù)å—æŽ§åˆ¶ã€‚åƒåœ¨PWM上的å¯ç·¨ç¨‹åœæ»¯æ™‚(shÃ)é–“(deadtime)延時(shÃ)使切æ›å™ªè²æœ€å°åŒ–,å¯ä»¥æ¸›å°‘數(shù)周的開(kÄi)發(fÄ)時(shÃ)間,并滿足關(guÄn)éµçš„ç¨‹åºæœ€çµ‚期é™è¦æ±‚以使新產(chÇŽn)å“得以é¢å¸‚。在所有的情æ³ä¸‹ï¼Œå¸¶æœ‰å¯é é–ƒå˜çš„MCUæä¾›å¿«é€Ÿé¢å¸‚çš„å¯èƒ½ï¼Œä»¥åŠåœ¨å®‰è£ä¹‹å‰æˆ–åœ¨ä½¿ç”¨ä¸æ ¹æ“š(jù)è¦æ±‚變化來(lái)調(dià o)æ•´çš„éˆæ´»æ€§ã€‚
å¸‚å ´(chÇŽng)推動(dòng)å› ç´ åŠè§£æ±ºæ–¹æ¡ˆ
家用電åè¨(shè)å‚™ä¸çš„é›»å電機(jÄ«)æŽ§åˆ¶è¦æ±‚ã€å·¥æ¥(yè)å’Œæ±½è»Šå¸‚å ´(chÇŽng)促進(jìn)了å°(duì)具有先進(jìn)的電機(jÄ«)控制外è¨(shè)çš„MCU的需求。
åœ¨å®¶é›»å¸‚å ´(chÇŽng)éƒ¨åˆ†ï¼Œéœ€è¦æ€§èƒ½æé«˜çš„電機(jÄ«)控制來(lái)滿足政府è¦(guÄ«)劃標(biÄo)準(zhÇ”n),例如美國(guó)的環(huán)境ä¿è·(hù)機(jÄ«)æ§‹(gòu)的能æºä¹‹æ˜Ÿè¨ˆ(jì)劃,該計(jì)劃促進(jìn)å» å•†æŽ¨å‡ºé«˜æ•ˆèƒ½å®¶é›»ã€‚æ´—è¡£æ©Ÿ(jÄ«)是高性能電機(jÄ«)控制的一個(gè)é‡è¦çš„é ˜(lÇng)域。直接驅(qÅ«)å‹•(dòng)的洗衣機(jÄ«)消除了電機(jÄ«)軸與洗衣機(jÄ«)攪動(dòng)器之間的傳動(dòng)帶,å…許ä¸åŒçš„速度和攪動(dòng)器模å¼ã€‚
一個(gè)生產(chÇŽn)å•†çš„å®Œå…¨é‡æ–°è¨(shè)計(jì)的洗衣機(jÄ«)與傳統(tÇ’ng)的洗衣機(jÄ«)相比較,減少消耗38%的電é‡å’Œ17%的水。電機(jÄ«)控制MCUæ ¹æ“š(jù)æ´—è¡£é‡å’Œé¡žåž‹èª¿(dià o)整電機(jÄ«)的功率。然而,家電用戶ä¾ç„¶å°(duì)最åˆçš„è³¼(gòu)買價(jià )æ ¼å¾ˆæ•æ„Ÿï¼Œå› æ¤ç”Ÿç”¢(chÇŽn)å•†å¿…é ˆä¸æ–·é™ä½Žå®ƒå€‘的開(kÄi)發(fÄ)和生產(chÇŽn)æˆæœ¬ï¼Œä»¥ä½¿æ›´å…ˆé€²(jìn)的電器能為更多的消費(fèi)者所接å—。
在家電ä¸ï¼Œå°ˆé–€ç‚ºä½Žæˆæœ¬é›»æ©Ÿ(jÄ«)控制應(yÄ«ng)用è¨(shè)計(jì)çš„8ä½MCU集æˆäº†èƒ½ç›¡é‡æ¸›å°‘é¡å¤–器件的功能。在電路æ¿ä¸Šçš„電機(jÄ«)PWMã€æ•…障安全時(shÃ)é˜ç›£(jiÄn)視器和高å¯é çš„é–ƒå˜æ¢ä»¶ä¸‹ï¼Œæœ€æ–°çš„MCUç°¡(jiÇŽn)化了家電電機(jÄ«)控制的è¨(shè)計(jì),能實(shÃ)ç¾(xià n)ä½Žæˆæœ¬ç›®æ¨™(biÄo)。
在工æ¥(yè)應(yÄ«ng)用ä¸ï¼Œé›»åŠ›æˆæœ¬å’Œè£é…æ“作的åœå·¥æ™‚(shÃ)間會(huì)é™ä½Žå» 商的收益。關(guÄn)于電機(jÄ«)性能æå‡çš„æŽ§åˆ¶å¦‚何直接影響效率和收益的一個(gè)å·¥æ¥(yè)例å就是:將一個(gè)å·¥æ¥(yè)抽水機(jÄ«)ä¸çš„閥用一個(gè)帶有基于MCUçš„å¯è®Šé€Ÿ(VSD)系統(tÇ’ng)替æ›ã€‚
å°(duì)于抽水機(jÄ«)或風(fÄ“ng)æ‰‡ï¼ŒåŠŸè€—èˆ‡è»¸çš„é€Ÿåº¦ç«‹æ–¹æ ¹æˆæ£æ¯”,當(dÄng)軸速度é™ä½Ž10%,æµé‡é™ä½Ž10%,功耗é™ä½Ž27%。如果速度é™ä½Ž20%,功耗é™ä½Ž49%。通éŽ(guò)使用MCUå¯è®Šé€Ÿé›»æ©Ÿ(jÄ«)æŽ§åˆ¶ï¼Œè€Œä¸æ˜¯æ’速電機(jÄ«)閥來(lái)減少æµé‡ï¼Œå·²ç¶“(jÄ«ng)è‰æ˜Žå°(duì)于工æ¥(yè)應(yÄ«ng)用ä¸çš„離心抽水機(jÄ«)ã€é¢¨(fÄ“ng)扇和å¹é¢¨(fÄ“ng)機(jÄ«)來(lái)說(shuÅ)å¯ä»¥å¾—到25-40%的能é‡ç¯€(jié)çœã€‚
å·¥æ¥(yè)應(yÄ«ng)用的效益是明顯的,使用MCUé©…(qÅ«)å‹•(dòng)的變速電機(jÄ«)控制ä¾è³´äºŽå…¶ä»–å› ç´ ï¼Œä¾‹å¦‚éˆæ´»æ€§å’Œå¯é 性-é€™äº›å› ç´ èƒ½é¿å…故障或檢修帶來(lái)çš„åœå·¥ã€‚帶有閃å˜å’ŒEEPROMçš„MCUæä¾›èƒ½é€šéŽ(guò)å¯å†ç·¨ç¨‹ç‰¹æ€§ï¼Œåœ¨ç•¶(dÄng)需è¦å‡ç´š(jÃ)或控制程åºè¦æ±‚改變的時(shÃ)候來(lái)解決工æ¥(yè)ç”¨æˆ¶è¦æ±‚çš„éˆæ´»æ€§ã€‚帶16KBé–ƒå˜å’Œ256BEEPROMçš„MCU在8ä½MCUä¸æä¾›äº†è¶³å¤ çš„å˜å„²(chÇ”)器來(lái)處ç†åœ¨å·¥æ¥(yè)ç’°(huán)境ä¸å¯èƒ½éœ€è¦çš„å¾ˆå¤šæ”¹è®Šã€‚åŒæ¨£é‡è¦çš„æ˜¯ï¼ŒMicrochipå…¬å¸çš„é–ƒå˜é‡‡ç”¨çš„PMOSé›»å坿“¦é™¤çš„å–®å…ƒè™•ç†æŠ€è¡“(shù)一般具有數(shù)據(jù)å˜å„²(chÇ”)單元能承å—1百è¬(wà n)次擦/寫循環(huán),數(shù)據(jù)å¯ä»¥ä¿æŒè¶…éŽ(guò)40年的性能。
已有的汽車電機(jÄ«)應(yÄ«ng)用包括采用電機(jÄ«)來(lái)打開(kÄi)和關(guÄn)閉車窗和車門,以åŠå®šä½è»Šåº§ã€‚由于這些應(yÄ«ng)ç”¨çš„ä½¿ç”¨é »çŽ‡å¾ˆä½Žï¼Œå› æ¤å°(duì)ä½Žæ•ˆçŽ‡å¹¶ä¸æ•感,但利用率高的應(yÄ«ng)用,例如乘客溫度環(huán)境控制和引擎箱的風(fÄ“ng)æ‰‡ï¼Œå‰‡ä¸æ–·åœ°æ¶ˆè€—汽車有é™çš„電能。電機(jÄ«)控制MCU使得環(huán)境控制扇åªä»¥ä¸€å€‹(gè)èƒ½ä¿æŒèˆ’驿º«åº¦çš„速度é‹(yùn)轉(zhuÇŽn)ï¼Œé€™æ¨£ä½¿å™ªè²æœ€å°åŒ–,并減少功率消耗。
在很多情æ³ä¸‹ï¼Œé›»æ©Ÿ(jÄ«)控制MCUå¿…é ˆä½¿ç”¨æŽ§åˆ¶å€(qÅ«)域網(wÇŽng)絡(luò)(CAN)或本地互連網(wÇŽng)絡(luò)(LAN)來(lái)連接到汽車網(wÇŽng)絡(luò)。å°(duì)于車體電å,ç¾(xià n)åœ¨ä½¿ç”¨ä½Žæˆæœ¬LINå”(xié)è°ä¾†(lái)減少整體系統(tÇ’ng)æˆæœ¬ã€‚在一些MCU系列ä¸ï¼Œå¯ä»¥ç™¼(fÄ)ç¾(xià n)一個(gè)支æŒLIN1.2çš„USARTæ¨¡å¡Šï¼ŒåŒæ™‚(shÃ)æä¾›åœ¨èµ·å§‹ä½çš„自動(dòng)喚醒和波特檢測(cè)(bauddetect)。
隨著控制算法在所有細(xì)åˆ†å¸‚å ´(chÇŽng)變得越來(lái)越復(fù)雜,數(shù)å—電機(jÄ«)控制器的性能從MCU上å‡åˆ°DSP層次。數(shù)å—信號(hà o)控制器(DSC)帶來(lái)了更高的性能和價(jià )æ ¼å¯æŽ¥å—çš„ã€å°(duì)è¨(shè)計(jì)工程師å‹å¥½çš„MCU技術(shù)用作更æˆç†Ÿçš„電機(jÄ«)控制è¨(shè)計(jì),包括那些具有å‘é‡æŽ§åˆ¶çš„æ‡‰(yÄ«ng)用。DSC工作速度高é”(dá)30MIPS,帶有高é”(dá)144KB的閃å˜å’Œé›»æ©Ÿ(jÄ«)控制專用的集æˆå¤–è¨(shè)實(shÃ)ç¾(xià n)了更先進(jìn)çš„ã€æ–°çš„電機(jÄ«)控制應(yÄ«ng)用。采用基于DSPå’ŒDSC的電å電機(jÄ«)控制,家電產(chÇŽn)æ¥(yè)控制和汽車ä¸åƒ…å·¥ä½œæ•ˆçŽ‡æ›´é«˜ã€æä¾›æ›´å¤šåŠŸèƒ½ï¼Œè€Œä¸”åƒ¹(jià )æ ¼å¯æŽ¥å—。
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