NEC 8位MCU降低180度馬達設計門檻點撥

電機是社會上各領(lǐng)域廣泛使用的且耗能巨大一種產(chǎn)品，如何提高電機效率，降低電機能耗成了電機發(fā)展的方向。直流無刷電機以其效率高，噪聲小等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域都獲得了廣泛的使用。本文主要介紹了NEC專為變頻控制應用推出的8位MCU系列的特點以及使用uPD78F0712設計的永磁同步電機(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，已經(jīng)應用在了國內(nèi)一些知名的空調(diào)廠商的空調(diào)室外風機上

I 180°控制的應用場合及特點
在一些應用場合，要求馬達以不同的速度連續(xù)的運轉(zhuǎn)，因此要求低成本電機驅(qū)動具有調(diào)速和節(jié)能或者低噪聲等特點，例如水泵、空調(diào)風機等。類似的這些場合不適合使用變頻器驅(qū)動的交流異步電機，而適合使用小功率無刷直流電機進行調(diào)速。
無刷直流電機分為方波控制（120°控制）的BLDC和正弦波控制（180°控制）的PMSM永磁同步電機。下表是各個電機控制特點比較：

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

180°矢量控制FOC對MCU的要求：
由于矢量控制算法的復雜性，相比120°控制或者SPWM控制，180°的FOC對MCU有更高的要求。
1.較強的數(shù)學運算能力：矢量控制涉及到解耦控制、PID計算，因此對MCU要求有較強的運算能力和指令運行速度，一般的8位MCU難以滿足要求
2.較快的乘法計算：在矢量控制中要用到各種數(shù)學變換，變換中有很多乘法運算，因此對MCU要求有快速的乘法運算
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位機一樣集成了內(nèi)部的硬件乘法器、功能強大的定時器、多個通用寄存器、快速的指令運行系統(tǒng)、可編程脈沖發(fā)生器、獨立的變頻控制模塊。這類專有的硬件功能使得NEC的8位MCU相對其他品牌MCU更適合永磁同步電機的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矢量控制中的各種變換算法進行運算，從而節(jié)省軟件運行時間
2.32個8位（16個16位）通用寄存器特有的 Bank結(jié)構(gòu)使得永磁同步電機的180°矢量控制程序運行效率更高
3.多達6個外部中斷輸入，省卻硬件捕獲單元對速度傳感器信號進行分析，降低180°馬達矢量控制方案的成本
4.在線自編程功能，可存儲馬達設置參數(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，可用于馬達頻率反饋，簡化軟件的編程
6.帶2個自由中斷專用變頻控制模塊，2個自由中斷可在PWM周期的任意時刻產(chǎn)生中斷，可根據(jù)用戶需要的任意時刻對電流進行采樣。
7.8-bit的可編程死區(qū)控制，死區(qū)時間范圍：0.1us～25.6us
8.獨立外部信號輸入，專用于控制PWM高阻態(tài)輸出，可用于馬達的緊急停車。

圖1顯示了8位變頻控制的MCU的特點，表3給對圖1中的各個功能給出了說明。

表3 變頻控制用的8位MCU特點

III NEC的電機控制方案
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現(xiàn)180°矢量控制(FOC)，通過反饋速度計算出矢量控制的PWM占空比的值，空間矢量PWM（SVPWM）輸出驅(qū)動功率模塊，直接控制電機轉(zhuǎn)矩，電機的轉(zhuǎn)速反饋采用霍爾傳感器。

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

HS/DC-8相比其他半導體廠商MCU的馬達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器，可實現(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)動器壽命
高效率、低噪聲，由于MCU的硬件乘法器可以快速的實現(xiàn)180°矢量控制算法，方案中又加入了自動相位控制，確保馬達電流始終保持在最小值進行自動控制
豐富的保護和定制功能，依賴于MCU中強大的定時器功能、豐富的IO功能和AD功能，例如死區(qū)保護、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、
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，還可以獲得世強電訊提供的技術(shù)支持服務。
a)應用咨詢：在一些工業(yè)或者消費類的產(chǎn)品上面，世強電訊可根據(jù)客戶的實際情況提供電機使用環(huán)節(jié)的建議，例如使用什么樣的電機可以達到節(jié)能、成本最低的效果
b)方案設計：用戶實際應用HS/DC-8的方案時，需要在產(chǎn)品中對HS/DC-8的功能進行增加或者刪減，以便實現(xiàn)更多的功能和減少不必要的成本。世強電訊可幫助客戶在產(chǎn)品設計中，考慮HS/DC-8的方案更改，為產(chǎn)品量身訂制特定的方案
c)硬件參考設計：HS/DC-8可以提供硬件參考設計并且給用戶預備了功能豐富的外部硬件接口，但實際用戶使用時需要設計產(chǎn)品自身的硬件接口以便能對HS/DC-8進行外部的控制。例如可以增加通訊硬件功能，人機界面硬件功能
d)軟件設計：HS/DC-8已經(jīng)提供了豐富的保護和定制功能，以適應用戶不同的馬達系統(tǒng)，世強電訊可以幫助用戶設定參數(shù)，產(chǎn)品軟件調(diào)試等。