高性价比电机驱动器的能耗解决方案——低成本8位MCU在电机控制中的高效应用

　　计算应用的发展引起了人们对电子产业如何减少能耗的广泛关注和讨论。根据电力研究协会(EPRI)的研究，机械传动类应用，包括电机驱动、消费类白色家电和工业用机器的能耗占全球电力消耗总量的50%以上，因此这一领域成为新的低能耗设计的首要目标。

　　除了能耗管理IC之外，这类机械传动控制应用的解决之道在于采用MCU形式的智能芯片。MCU能够以更高的效率、更低的成本进行电机管理，加速从机电控制到电子控制的转变过程，实现变速电机(VSM)的控制。

　　MCU控制的无刷直流(BLDC)电机相比传统的直流电机具有更高的效率、很高的力矩-惯性比、较高的速度性能、较低的噪声、较好的热效率和较低的EMI指标。智能电机的效率可以超过95%，而感应式电机只有85%。而且，在很多应用中，相比恒速电机，MCU控制的可变速BLDC电机能够节省25%～40%的能耗。

　　BLDC电机的能效

　　用于电机控制的高性价比MCU的出现也引起了传统电机制造商和应用厂商的关注，促使他们重新比较和考虑VSM的一些特殊控制技术。利用传统的标量控制方法实现VSM要求制造商增大电机的尺寸，以容纳大的瞬态电压或峰值电压。

　　为了避免增大电机而带来的成本，制造商开始寻求采用磁场导向控制(FOC)(也称为矢量控制)技术来缩小电机的尺寸。FOC技术具有较好的动态响应特性、较高的功率密度和较低的转矩波动，这些都有助于提高系统的效率。此外，FOC不需要位置传感器，只需要一个分路电阻器，从而降低了制造成本，提高了可靠性。

　　磁场导向控制技术通过改变定子绕组中的电流，使电机中的定子磁场和转子磁场保持90°的角度。尽管我们已知系统中定子磁场的角度，但是还必须测量或估算出转子磁场的角度，以便计算出二者之间的角度差。

　　当判断出转子磁场的角度之后，矢量控制算法就可以计算出向定子相位绕组上加载电压的最佳时机和大小。由于这类矢量控制算法都是数据密集型算法，因此目前常见的无传感器FOC实现方案都采用了16位或32位的MCU、DSP或DSC处理器，用于处理复杂的三角函数方程。

　　此外，为了确保所需的精度，还需要在系统中内置查找表，这需要采用大容量的闪存和复杂的软件算法，以处理电流计算、矢量旋转、空间矢量调制和比例积分控制等方面的问题。这些因素都会增大控制系统的成本。

　　新推出的8位微控制器在体系结构上进行了特殊的增强配置，例如英飞凌技术公司的XC800系列就具备了实现更高性价比FOC系统所需的硬件功能(如图1所示)。　　

　　图1 内含专用模块的低成本8位控制器提供了磁场导向电机控制所需的全部功能