无刷直流电机控制程序（无刷直流电机控制系统）

美国电机对能源消耗的贡献率接近50%。因此，降低电机能耗可以有效提高能源利用率，而采用先进的微控制器（MCU）技术实现电机控制是一种有效的方法。本文介绍了电机控制MCU技术的发展和应用。

减少能源消耗的一个主要目标是电动机，其消耗的能源约占美国总能源消耗的50%。任何一个家庭都可以找到50多台电机，通常有70到80台。在工业领域，工厂自动控制也大量使用电机。

如今，MCU 技术的最新发展使电机能够以更低的成本更高效地运行。在一些市场中，这可以加速从机电控制到电子控制的转变，使变速电机控制能够优化电机效率并降低所有应用的设备级成本。

低成本无刷直流电机控制MCU

与电机控制中经常使用的有刷电机相比，MCU 控制的无刷直流(BLDC) 电机消除了电刷磨损和电弧机制，因此电机的寿命本质上仅受轴承寿命的限制。此外，基于MCU的BLDC电机系统的优点包括高效率、高扭矩惯量比、更高的速度性能、低噪音、更好的热效率和低EMI特性。

利用专为电机控制设计的量产8位MCU是解决数字电机控制问题的一种非常低成本的方法。凭借高达10 MIPS 的性能和专用运动控制硬件（包括中心对齐14 位PWM、运动反馈模块和高速ADC），以前需要昂贵处理器的应用现在可以使用低成本8-位MCU。

图1：MCU在洗衣机中的应用示例

8 位微控制器驱动三相ACIM 变频驱动器。

某些MCU（例如PIC18F4431）中的三相PWM 控制可以在硬件中提供BLDC 的所有三种控制，从而最大限度地减少必须开发和调试的软件。多达8 个可用PWM 通道，通常只需要6 个即可驱动三相电机。因此，剩余的两个通道可以用于其他功能，而不需要额外的设备。作为MCU的主要部分，带有集成编码器接口的运动反馈模块减少了设备数量和系统成本。

具有每秒200K 采样率的ADC 的MCU 为闭环控制提供了必要的速度。同时使用两个不同的通道可以同时采样电压和电流。在测量闭环电机控制中的后端电动势(EMF) 时，需要如此快速的开关，并且在上升沿或下降沿将ADC 与PWM 同步的能力会导致开关噪声。这些模块共同消除了对高速ADC 和位置编码器等外部电机控制设备的需求。

在许多电机控制应用中，故障安全操作非常重要。具有故障安全时钟监视器（内部RC 振荡器，可在晶体振荡器发生故障时用作备用时钟）的MCU 允许设计工程师使用提供高可靠性的数字控制。诸如PWM 上的可编程死区延迟可实现噪声切换，从而缩短数周的开发时间并满足关键的项目期限，将新产品推向市场。在所有情况下，具有可靠闪存的MCU 都可以实现快速上市，并可以在安装前或使用过程中根据需求变化进行灵活调整。

市场驱动因素和解决方案

家用电子、工业和汽车市场的电子电机控制要求推动了对具有先进电机控制外设的MCU 的需求。

在家电市场领域，需要改进性能的电机控制来满足政府规划标准，例如美国环境保护局的能源之星计划，该计划促进制造商推出高效电器。洗衣机是高性能电机控制的重要领域。直接驱动洗衣机消除了电机轴和洗衣机搅拌器之间的传动带，从而允许不同的速度和搅拌器模式。

一家制造商完全重新设计的洗衣机比传统洗衣机节省了38% 的电力和17% 的水。电机控制MCU根据衣物的数量和类型调节电机的功率。然而，家电用户对初始购买价格仍然非常敏感，因此制造商必须不断降低研发和生产成本，让更先进的家电被更多消费者接受。

在家用电器中，专为低成本电机控制应用而设计的8 位MCU 集成了可最大限度减少额外组件的功能。凭借电路板上的电机PWM、故障安全时钟监视器和高可靠性闪存，该MCU 简化了家电电机控制的设计，并可实现低成本目标。

在工业应用中，装配操作的电力成本和停机时间可能会降低制造商的利润。改进电机性能控制如何直接影响效率和盈利能力的一个工业示例是用基于MCU 的变速(VSD) 系统替换工业水泵中的阀门。

对于水泵或风扇，功耗与轴速度的立方根成正比。当轴转速降低10%时，流量降低10%，功耗降低27%。如果速度降低20%，功耗就会降低49%。事实证明，通过使用MCU 变速电机控制代替恒速电机阀来减少流量，工业应用中的离心泵、风扇和鼓风机可节省25-40% 的能源。

工业应用的好处是显而易见的，使用MCU 驱动的变速电机控制依赖于其他因素，例如灵活性和可靠性，这些因素可以避免因故障或维护而导致的停机。当需要升级或控制程序要求发生变化时，具有闪存和EEPROM 的MCU 可以通过可重新编程功能灵活地满足工业用户的要求。具有16KB 闪存和256B EEPROM 的MCU 在8 位MCU 中提供了足够的内存来处理工业环境中可能需要的许多变化。同样重要的是，Microchip闪存采用的PMOS电可擦除单元处理技术一般具有可承受100万次擦除/写入周期的数据存储单元，数据可保留40年以上。

现有的汽车电机应用包括使用电机来打开和关闭门窗以及定位车辆座椅。由于这些应用的使用频率很低，因此它们对效率低下并不敏感，但高利用率应用（例如乘客气候控制和发动机舱风扇）会持续消耗汽车有限的电能。电机控制MCU允许环控风扇仅以维持舒适温度的速度运行，从而最大限度地降低噪音并降低功耗。

在许多情况下，电机控制MCU 必须使用控制局域网(CAN) 或本地互连网络(LAN) 来连接到汽车网络。对于车身电子设备，现在使用低成本LIN 协议来降低总体系统成本。在某些MCU系列中，您可以找到支持LIN1.2并提供起始位自动唤醒和波特率检测的USART模块。

随着所有细分市场的控制算法变得更加复杂，数字电机控制器的性能从MCU 提升到DSP 级别。数字信号控制器(DSC) 为更成熟的电机控制设计（包括矢量控制应用）带来了更高的性能和经济实惠、设计工程师友好的MCU 技术。 DSC 的运行速度高达30MIPS，具有高达144KB 的闪存和专用于电机控制的集成外设，可实现更先进和新型的电机控制应用。使用基于DSP和DSC的电子电机控制，家电工业控制和汽车不仅工作效率更高，提供更多功能，而且价格实惠。

审稿编辑：唐子红