NEC 8位MCU降低180度馬達(dá)設(shè)計(jì)門檻點(diǎn)撥

電機(jī)是社會(huì)上各領(lǐng)域廣泛使用的且耗能巨大一種產(chǎn)品，如何提高電機(jī)效率，降低電機(jī)能耗成了電機(jī)發(fā)展的方向。直流無刷電機(jī)以其效率高，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛的使用。本文主要介紹了NEC專為變頻控制應(yīng)用推出的8位MCU系列的特點(diǎn)以及使用uPD78F0712設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)(PMSM)180°控制器解決方案。該方案具有低成本、高效率和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在了國內(nèi)一些知名的空調(diào)廠商的空調(diào)室外風(fēng)機(jī)上

I 180°控制的應(yīng)用場合及特點(diǎn)
在一些應(yīng)用場合，要求馬達(dá)以不同的速度連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此要求低成本電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有調(diào)速和節(jié)能或者低噪聲等特點(diǎn)，例如水泵、空調(diào)風(fēng)機(jī)等。類似的這些場合不適合使用變頻器驅(qū)動(dòng)的交流異步電機(jī)，而適合使用小功率無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
無刷直流電機(jī)分為方波控制（120°控制）的BLDC和正弦波控制（180°控制）的PMSM永磁同步電機(jī)。下表是各個(gè)電機(jī)控制特點(diǎn)比較：

由上表可以看出，在小功率電機(jī)范圍內(nèi)，180°馬達(dá)控制具有噪聲低效率高的優(yōu)點(diǎn)。
永磁同步電機(jī)的180°控制有兩種方法：第一種直接輸入正弦波進(jìn)行PWM調(diào)制然后使用PID進(jìn)行控制；第二種是矢量控制(field oriented control, FOC)，對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場解耦控制。下表是180°控制的兩種方式的特點(diǎn)

180°矢量控制FOC對(duì)MCU的要求：
由于矢量控制算法的復(fù)雜性，相比120°控制或者SPWM控制，180°的FOC對(duì)MCU有更高的要求。
1.較強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力：矢量控制涉及到解耦控制、PID計(jì)算，因此對(duì)MCU要求有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和指令運(yùn)行速度，一般的8位MCU難以滿足要求
2.較快的乘法計(jì)算：在矢量控制中要用到各種數(shù)學(xué)變換，變換中有很多乘法運(yùn)算，因此對(duì)MCU要求有快速的乘法運(yùn)算
3.轉(zhuǎn)速的反饋接收：閉環(huán)控制中，要求MCU能接受速度傳感器反饋的信息

II NEC的8位MCU
NEC專門為馬達(dá)變頻控制開發(fā)了一系列的8位MCU：78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等。這類MCU和16位機(jī)一樣集成了內(nèi)部的硬件乘法器、功能強(qiáng)大的定時(shí)器、多個(gè)通用寄存器、快速的指令運(yùn)行系統(tǒng)、可編程脈沖發(fā)生器、獨(dú)立的變頻控制模塊。這類專有的硬件功能使得NEC的8位MCU相對(duì)其他品牌MCU更適合永磁同步電機(jī)的180°矢量控制。
更適合低成本180°矢量控制NEC的8位MCU特有功能：
1.硬件乘法器能夠更快的對(duì)矢量控制中的各種變換算法進(jìn)行運(yùn)算，從而節(jié)省軟件運(yùn)行時(shí)間
2.32個(gè)8位（16個(gè)16位）通用寄存器特有的 Bank結(jié)構(gòu)使得永磁同步電機(jī)的180°矢量控制程序運(yùn)行效率更高
3.多達(dá)6個(gè)外部中斷輸入，省卻硬件捕獲單元對(duì)速度傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，降低180°馬達(dá)矢量控制方案的成本
4.在線自編程功能，可存儲(chǔ)馬達(dá)設(shè)置參數(shù)，省卻外部EEPROM，節(jié)省成本和空間，適合低成本的180°矢量控制
5.可編程脈沖發(fā)生器（PPG），能指定脈沖寬度、脈沖周期，可用于馬達(dá)頻率反饋，簡化軟件的編程
6.帶2個(gè)自由中斷專用變頻控制模塊，2個(gè)自由中斷可在PWM周期的任意時(shí)刻產(chǎn)生中斷，可根據(jù)用戶需要的任意時(shí)刻對(duì)電流進(jìn)行采樣。
7.8-bit的可編程死區(qū)控制，死區(qū)時(shí)間范圍：0.1us～25.6us
8.獨(dú)立外部信號(hào)輸入，專用于控制PWM高阻態(tài)輸出，可用于馬達(dá)的緊急停車。

圖1顯示了8位變頻控制的MCU的特點(diǎn)，表3給對(duì)圖1中的各個(gè)功能給出了說明。

表3 變頻控制用的8位MCU特點(diǎn)

III NEC的電機(jī)控制方案
下圖是NEC利用上述8位MCU uPD78F071x的特有的功能，開發(fā)出一套低成本的180度矢量控制方案HS/DC-8，圖2為系統(tǒng)構(gòu)成。

HS/DC-8正是利用8位MCU的特有的硬件功能來實(shí)現(xiàn)180°矢量控制(FOC)，通過反饋速度計(jì)算出矢量控制的PWM占空比的值，空間矢量PWM（SVPWM）輸出驅(qū)動(dòng)功率模塊，直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋采用霍爾傳感器。

HS/DC-8驅(qū)動(dòng)器適用于額定容量為20W~1KW小功率電機(jī)，6~120Hz的電氣角頻率，永磁磁通0.5Wb以下。

HS/DC-8相比其他半導(dǎo)體廠商MCU的馬達(dá)控制方案具有以下優(yōu)勢：
低損耗，MCU中專用的變頻控制的定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)兩相調(diào)制的低損耗PWM方式，可將逆變器中的功率開關(guān)管損耗降低30％左右，從而延長驅(qū)動(dòng)器壽命
高效率、低噪聲，由于MCU的硬件乘法器可以快速的實(shí)現(xiàn)180°矢量控制算法，方案中又加入了自動(dòng)相位控制，確保馬達(dá)電流始終保持在最小值進(jìn)行自動(dòng)控制
豐富的保護(hù)和定制功能，依賴于MCU中強(qiáng)大的定時(shí)器功能、豐富的IO功能和AD功能，例如死區(qū)保護(hù)、霍爾類型選定、頻率反饋脈沖數(shù)的選定、PWM初始化異常檢測、過壓保護(hù)、
低成本，8位MCU節(jié)省外部的EEPROM和內(nèi)部的硬件捕獲單元，使得MCU成本降低

世強(qiáng)電訊的技術(shù)支持：
用戶除了能獲得NEC的8位MCU低成本、高性能的好處，還可以獲得世強(qiáng)電訊提供的技術(shù)支持服務(wù)。
a)應(yīng)用咨詢：在一些工業(yè)或者消費(fèi)類的產(chǎn)品上面，世強(qiáng)電訊可根據(jù)客戶的實(shí)際情況提供電機(jī)使用環(huán)節(jié)的建議，例如使用什么樣的電機(jī)可以達(dá)到節(jié)能、成本最低的效果
b)方案設(shè)計(jì)：用戶實(shí)際應(yīng)用HS/DC-8的方案時(shí)，需要在產(chǎn)品中對(duì)HS/DC-8的功能進(jìn)行增加或者刪減，以便實(shí)現(xiàn)更多的功能和減少不必要的成本。世強(qiáng)電訊可幫助客戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，考慮HS/DC-8的方案更改，為產(chǎn)品量身訂制特定的方案
c)硬件參考設(shè)計(jì)：HS/DC-8可以提供硬件參考設(shè)計(jì)并且給用戶預(yù)備了功能豐富的外部硬件接口，但實(shí)際用戶使用時(shí)需要設(shè)計(jì)產(chǎn)品自身的硬件接口以便能對(duì)HS/DC-8進(jìn)行外部的控制。例如可以增加通訊硬件功能，人機(jī)界面硬件功能
d)軟件設(shè)計(jì)：HS/DC-8已經(jīng)提供了豐富的保護(hù)和定制功能，以適應(yīng)用戶不同的馬達(dá)系統(tǒng)，世強(qiáng)電訊可以幫助用戶設(shè)定參數(shù)，產(chǎn)品軟件調(diào)試等。