利用8位MCU降低电机系统能耗

文章摘要：采用优化微控制器的先进功率设计可为多种应用带来巨大节能潜力。改进的能效和降低的系统成本将推动风扇、水泵、压缩机、齿轮电机的现代化电机控制设计，以及用于照明产品或电磁炉的功率转换设计。智能化控制理念的实施，比如适用于电机的场定向控制(FOC)或适用于LED的电流控制，有助于满足这些需求。英飞凌致力于迎接能效和成本效率挑战，通过推出具备优化特性(包括可以较低实施成本获得大幅节能的FOC特性)的新微控制器系列，进一步壮大了8位微控制器产品阵容。在工业化国家，电机的耗电量占总电耗的一半以上。电机耗电量占工业用电量的三分之二，约占居民用电量的四分之一。改善电机的能效可大幅节能并降低运行成本。目前，市场对

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　　采用优化微控制器的先进功率设计可为多种应用带来巨大节能潜力。改进的能效和降低的系统成本将推动风扇、水泵、压缩机、齿轮电机的现代化电机控制设计，以及用于照明产品或电磁炉的功率转换设计。智能化控制理念的实施，比如适用于电机的场定向控制(FOC)或适用于LED的电流控制，有助于满足这些需求。英飞凌致力于迎接能效和成本效率挑战，通过推出具备优化特性(包括可以较低实施成本获得大幅节能的FOC特性)的新微控制器系列，进一步壮大了8位微控制器产品阵容。

　　在工业化国家，电机的耗电量占总电耗的一半以上。电机耗电量占工业用电量的三分之二，约占居民用电量的四分之一。改善电机的能效可大幅节能并降低运行成本。目前，市场对具有更高能效的变频电机(如风扇、泵)的需求不断提高。IMS Research的市场分析师宣称，从2006年至2011年，电机的年均复合增长率将达到10％。工业电机的这种强劲增长，将带动微控制器的增长，使其在同期的年均复合增长率达到8.9%。

　　除电机控制外，功率电子装置还有助于大幅改善照明、电磁炉和空调的能效。这些领域的节能潜力在25％以上(图1)。微控制器是实现节能的核心组件。低成本、易用的微控制器可降低高能效设计的门槛，同时可确保采用先进的控制方法。

　　图1：采用功率电子器件的节能潜力。

　　场定向控制

　　场定向控制(FOC)，或称矢量控制是一种控制三相交流电机的方法。采用这种方法控制电机，有利于降低电机的尺寸、成本和功耗。采用FOC方法，可大幅改善电机的能效。这对功耗、电机动态、散热和噪音将产生巨大影响。相对于基于传感器的电机控制，无刷直流电机(BLDC)或永磁同步电机(PMSM)的无传感器场定向控制可带来额外的成本益处(图2)。无传感器方法利用电机的反电动势(电磁力)计算转角和转子位置。反电动势在磁链观测器中进行计算，这是以二相坐标系中的系统电压模型为基础。一个分支足以重建相电流。

　　图2：以极低的成本获得较高的能效：全新的XC83x器件可确保以极高的成本效率，实现永磁同步电机的无传感器FOC特性。

　　无刷直流电机、永磁同步电机或交流感应电机与运行优化微控制器的强大电机控制算法结合使用，可确保提供最高能效的解决方案。对于无刷电机而言，包括梯形、正弦和FOC在内的多种电机控制系统算法都适用。

　　在低速条件下，正弦换相可确保平滑运行，但在高速条件下，效率不足。阻塞换相在高速条件下，效率相对较高，但在低速条件下，会引起转矩脉动。这导致了FOC的产生。无论在低速还是在高速条件下，FOC都具备最佳的性能。采用FOC，可使电机的效率高达95％，并降低能耗和噪音，以及提供出色的转矩动态特性。这可在相同转矩条件下，使逆变器获得更高效率，功率极更小，电机尺寸更小。

　　FOC算法不受时间和速度的影响，可直接独立控制磁通量和转矩。通过数学公式(Clarke及Park变换)，可将电机的电气状态转换为时间不变性旋转两轴坐标系。FOC可用于交流感应电机和无刷直流电机，用于改善它们的效率和性能。通过升级控制系统，它还适用于现有的电机。

　　可扩展的微控制器系列

　　由于降低功耗、缩减成本和提升性能是驱动当今微控制器发展的主要因素，因此一个以8位价格提供16位性能的8位微控制器系列，可满足多种苛刻应用的需求。英飞凌的XC800系列(图3)将一个8051内核与嵌入式闪存(4KB至64KB)结合使用，封装的管脚数为16(TSSOP16)至64(QFP64)。为降低系统成本，XC800系列还集成了晶振、稳压器、EEPROM和监控电路等特性。不同的闪存尺寸、可扩展的外设和FOC等创新特性，使得能够轻松选择所需的产品，满足专业应用的需求。XC800系列还具备功能强大的外设，这使得其成为各种电机控制和功率转换应用的理想之选。这些外设包括一个可灵活生成PWM的捕获/比较单元(CCU6)和一个用于实现精确测量并与PWM实现硬件同步的增强型快速模数转换器(ADC)。此外，某些型号产品还搭载了一个支持FOC的16位矢量计算机。这是业内首款采用16位矢量计算机的8位微控制器。采用这种矢量计算机，执行FOC功能时，只需占用CPU约一半的处理性能，这在整个业界也是独一无二的。

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