NEC 8位MCU降低180度馬達設計門檻

作者：深圳世強電訊有限公司 應用工程師 高永生 肖建云

　　電機是社會上各領域廣泛使用的且耗能巨大一種產品，如何提高電機效率，降低電機能耗成了電機發展的方向。直流無刷電機以其效率高，噪聲小等優點，在各個領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點，已經應用在了國內一些知名的空調廠商的空調室外風機上

　　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的運轉，因此要求低成本電機驅動具有調速和節能或者低噪聲等特點，例如水泵、空調風機等。類似的這些場合不適合使用變頻器驅動的交流異步電機，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，180°馬達控制具有噪聲低效率高的優點。

　　 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)，對永磁同步電機轉子磁場解耦控制。下表是180°控制的兩種方式的特點

　　表2 兩種180°控制方法的特點
　　　

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. 轉速的反饋接收：閉環控制中，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、可編程脈沖發生器、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結構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，省卻外部EEPROM，節省成本和空間，適合低成本的180°矢量控制

　　5. 可編程脈沖發生器（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周期的任意時刻產生中斷，可根據用戶需要的任意時刻對電流進行采樣。

　　7. 8-bit的可編程死區控制，死區時間范圍：0.1us～25.6us

　　8. 獨立外部信號輸入，專用于控制PWM高阻態輸出，可用于馬達的緊急停車?！?

　　圖1 NEC的MCU特點

　　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，開發出一套低成本的180

圖2 HS/DC-8系統構成

　　度矢量控制方案HS/DC-8，圖2為系統構成。

　　HS/DC-8正是利用8位MCU的特有的硬件功能來實現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）輸出驅動功率模塊，直接控制電機轉矩，電機的轉速反饋采用霍爾傳感器。

　　HS/DC-8驅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勢：

低損耗，MCU中專用的變頻控制的定時器，可實現兩相調制的低損耗PWM方式，可將逆變器中的功率開關管損耗降低30％左右，從而延長驅動器壽命

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，例如死區保護、霍爾類型選定、頻率反饋脈沖數的選定、PWM初始化異常檢測、過壓保護、

低成本，8位MCU節省外部的EEPROM和內部的硬件捕獲單元，使得MCU成本降低

　　世強電訊的技術支持：

　　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支持服務。

　　a) 應用咨詢：在一些工業或者消費類的產品上面，世強電訊可根據客戶的實際情況提供電機使用環節的建議，例如使用什么樣的電機可以達到節能、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，需要在產品中對HS/DC-8的功能進行增加或者刪減，以便實現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品設計中，考慮HS/DC-8的方案更改，為產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，世強電訊可以幫助用戶設定參數，產品軟件調試等。

　　世強電訊技術支持團隊所依賴的平臺能給用戶提供系統的服務流程，提供針對客戶需要的新產品推介、快速樣品、售后和物流服務。