解密消費(fèi)電器變速控制絕招――數(shù)字電源管理

很多廚房和車庫電器、電動(dòng)工具以及其他小家電中所用的傳統(tǒng)通用型電動(dòng)機(jī)一般都不能精確地控制速度。電動(dòng)機(jī)基本上只有關(guān)和開兩種狀態(tài)，這對于某些應(yīng)用來說確實(shí)是足夠了。但通過數(shù)字電源管理系統(tǒng)來進(jìn)行精確變速控制可以實(shí)現(xiàn)很多巨大的優(yōu)勢，包括：

-更低的功耗

-更高的安全性

-更長的工具壽命

-更便于使用

-更先進(jìn)的操作控制。

-將電器開啟時(shí)產(chǎn)生電涌從而導(dǎo)致電路斷開的風(fēng)險(xiǎn)最小化

成本曾經(jīng)是在各種消費(fèi)類電器中實(shí)現(xiàn)智能電機(jī)控制的主要障礙。本文將介紹一種由ZiLOG公司設(shè)計(jì)開發(fā)的新型高效低成本變速通用電機(jī)控制方案，以及這一方案是如何利用新型片上集成數(shù)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(xiàn)速度控制和故障停機(jī)功能的。

解決成本與復(fù)雜性問題

電子行業(yè)流行這么一個(gè)“傳統(tǒng)”觀點(diǎn)：能進(jìn)行直接準(zhǔn)確變速控制的系統(tǒng)所需的組件實(shí)在太貴了，根本無法用于價(jià)格敏感型消費(fèi) 電器中。這種觀點(diǎn)認(rèn)為，與其開發(fā)并執(zhí)行這樣的控制系統(tǒng)，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(jī)控制的 優(yōu)勢。另外，由于快速過電流檢測、故障控制、系統(tǒng)可靠性和效率等問題，電機(jī)控制應(yīng)用還帶來了棘手的工程難題。

由于對快速準(zhǔn)確回路控制的需求，以及通過數(shù)字電源管理執(zhí)行智能電機(jī)控制所需要組件的數(shù)量和成本，這些控制器應(yīng)用給MCU樹立了標(biāo)準(zhǔn)，要求它必須提供一流的性能和豐富的綜合型先進(jìn)功能，以簡化閉合回路控制設(shè)計(jì)在通用電機(jī)控制領(lǐng)域的執(zhí)行。

近幾年專門用于電機(jī)控制的微控制器(MCU)已經(jīng)問世，集成了8 位計(jì)算引擎、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、比較器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器以及其它電路來控制電機(jī)速度，以滿足負(fù)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(shù)量和成本，這種控制器在對 MCU 的預(yù)期方面樹立了新標(biāo)桿。目前MCU生產(chǎn)商所面臨的問題是如何在確保集成恰當(dāng)?shù)耐獠拷M件和功能的同時(shí)還能保持產(chǎn)品價(jià)格對消費(fèi)者的吸引力。

一種最佳方法

圖1展示了一個(gè)面向先進(jìn)電機(jī)控制尤其是通用電機(jī)控制應(yīng)用的低成本高效型數(shù)字功率管理方案。其中的片上模擬外圍設(shè)備都是由ZiLOG開發(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(dá)四個(gè)單端/差分通道和一個(gè)可選的 1X 差分輸入緩沖區(qū)。另外，ADC 模塊中還集成了一個(gè)片上低功率運(yùn)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(jié)合這個(gè)多通道 ADC，MCU 的兩個(gè)具有脈寬調(diào)制(PWM )以及采集與比較功能的增強(qiáng)型16 位定時(shí)器模塊可以同時(shí)操作兩個(gè)負(fù)載(即電機(jī))，同時(shí)，直接 LED 驅(qū)動(dòng)輸出可用來在出現(xiàn)預(yù)設(shè)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、一套用于確保可靠性的“防故障”振蕩器機(jī)制、一個(gè)片上集 成溫度傳感器和高達(dá)128B 的非易失性數(shù)據(jù)存儲空間(NVDS)。圖 2 是款使用了ZiLOG MCU 的通用電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 通用電機(jī)控制系統(tǒng)框架圖

電機(jī)控制的主要功能

這個(gè)特別的數(shù)字公里發(fā)管理方案提供了通用電機(jī)所需的主要控制功能：“軟啟動(dòng)”、過電流故障保護(hù)和使用片上比較器測定交流電路過零點(diǎn)以確保 MCU 輸出信號同步的能力。我們來逐條分析一下，并看看該方案是如何滿足這些要求的：

(1)軟啟動(dòng)

“軟啟動(dòng)”功能確保在電機(jī)打開時(shí)功率逐漸地而不是突然輸出到電機(jī)。通過使用 MCU 的單 I/O 輸出控制 TRIAC 的觸發(fā)/點(diǎn)火角來實(shí)現(xiàn)可調(diào)控制。這種功能最大程度地減少了啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的過沖和不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，從而減少電機(jī)磨損，并防止需量的突變，避免電路斷開以致剛開啟的 和正在運(yùn)行的電器都被關(guān)斷的情況。

ZiLOG的軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)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(jié)時(shí)使用的一個(gè)查找表。在交流信號的一個(gè)半周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)二十個(gè)均勻分布的 觸發(fā)角。通過這種方法可以調(diào)節(jié) TRIAC 觸發(fā)角(如圖3)，以調(diào)整輸送給電機(jī)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(jī)過渡到正常滿速運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)過電流故障保護(hù)

大多數(shù)電機(jī)控制都需要過電流故障保護(hù)。過電流故障的原因有很多，例如電機(jī)繞組短路、電機(jī)引線短路、機(jī)械驅(qū)動(dòng)與連接裝置故障、功率器件損壞、接線 錯(cuò)誤等，會導(dǎo)致電器損毀。在出現(xiàn)過電流故障時(shí)，不管原因是什么，都必須立即停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以防止損壞。雖然保護(hù)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(xù)發(fā)現(xiàn)故障條件時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而不要一下子完全關(guān)斷整個(gè)系統(tǒng)。如果這種方法不能解決問題，那么再關(guān)斷系統(tǒng)。

這個(gè)電機(jī)控制器方案以一個(gè)感應(yīng)電阻來測量電機(jī)電流(圖 2)，并把信號傳輸?shù)狡霞?ADC。過電流門限值是可以設(shè)置的，而一旦電流達(dá)到這個(gè)門限值，系統(tǒng)就會啟動(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(tǒng)。

(3)過零點(diǎn)

要控制電機(jī)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零時(shí)刻。iLOG 的電機(jī)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(tǒng)復(fù)雜性。圖 3 展示了用來實(shí)現(xiàn)變速控制的不同的TRIAC 觸發(fā)角。在圖中所示的應(yīng)用中，TRIAC 的觸發(fā)角被設(shè)為 9° 。