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)技術來實現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)領域，工廠自動控制對電機的利用也很廣泛。

今天，MCU技術的最近發(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變，從而能實現變速電機控制以優(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，這樣電機的壽命本質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。

利用專門設計用于電機控制的大批量生產的8位MCU是一種解決數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位微控制器驅動一個三相ACIM可變頻驅動。

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)和調試的軟件。高達8個可用的PWM通道，通常只需要6個來驅動三相電機。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?？傊@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(一個內部RC振蕩器，可以在晶振產生故障的時候用作備用時鐘)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上的可編程停滯時間(deadtime)延時使切換噪聲最小化，可以減少數周的開發(fā)時間，并滿足關鍵的程序最終期限要求以使新產品得以面市。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調整的靈活性。

市場推動因素及解決方案

家用電子設備中的電子電機控制要求、工業(yè)和汽車市場促進了對具有先進的電機控制外設的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域。直接驅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。

一個生產商的完全重新設計的洗衣機與傳統(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根據洗衣量和類型調整電機的功率。然而，家電用戶依然對最初的購買價格很敏感，因此生產商必須不斷降低它們的開發(fā)和生產成本，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計，能實現低成本目標。

在工業(yè)應用中，電力成本和裝配操作的停工時間會降低廠商的收益。關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。