NEC 8位MCU降低180度馬達(dá)設(shè)計門檻

　　電機(jī)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(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，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(yīng)用推出的8位MCU系列的特點以及使用uPD78F0712設(shè)計的永磁同步電機(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，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

　　在一些應(yīng)用場合，要求馬達(dá)以不同的速度連續(xù)的運轉(zhuǎn)，因此要求低成本電機(jī)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(fēng)機(jī)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(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)。下表是各個電機(jī)控制特點比較：

　　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。

　　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

　　180°矢量控制FOC對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MCU有更高的要求。

　　1. 較強(qiáng)的數(shù)學(xué)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(qiáng)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(xué)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(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(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矢量控制中的各種變換算法進(jìn)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(jī)的180°矢量控制程序運行效率更高

　　3. 多達(dá)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(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(jìn)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(dá)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(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。