推動電機控制發展的力量與不斷進步的單片機技術

全球溫度正呈現上升的趨勢，更加有效地利用能源成為當務之急。降低能耗的主要對象之一是電機。據粗略統計，電機消耗了美國一半以上的能量。在家庭中使用的電機數量一般不下50臺，一部汽車里通常有70至80臺電機，至于在工業領域，工廠自動化中應用的電機更加比比皆是。
當前，單片機（MCU）技術取得的進步能夠比以往任何時候都更加有效地控制電機，而成本卻更低。這種進步對市場的影響一方面加速了從機電控制到電子式控制的轉變，另一方面可以實現電機的變速控制，優化電機的運行。而且，對整個市場而言，降低了元器件的整體成本。
單片機控制的無刷直流電機
與電機控制中經常使用的有刷電機不同，單片機控制的無刷直流（BLDC）電機不存在電刷磨損和電弧，因而電機的使用壽命實質上只受到軸承壽命的影響。此外，單片機控制的無刷直流電機系統的優越性還包括：
1． 更高的效率
2． 轉矩-慣性比高
3． 能達到更高的速度
4． 聽得見的噪聲更低
5． 更高的熱效率
6． 更低的電磁干擾
大量專門針對電機控制應用而設計的8位單片機在解決數字電機控制問題上是成本效益最高的方法之一。但在過去，集成的程度和可供選擇的產品一直有限。而現在，單片機性能高達10MIPS，具備的運動控制專用硬件包括中心對齊的14位脈寬調制器（PWM）、運動反饋模塊和高速模數轉換器（ADC），使以往需要較昂貴處理器的應用可以采用成本較低的8位單片機來實現。
某些單片機，如PIC18F4431，在進行三相PWM控制時，可用硬件實現對無刷直流電機所有三個相的驅動，從而最大限度地降低了軟件的開發和調試工作量。該單片機最多有8個PWM通道，而一般只需6個通道即可驅動三相電機。因此，可以用另外兩個通道來實現其它功能，無需再添加其它元器件。帶有正交編碼器接口的運動反饋模塊是單片機的一個組成部分，可減少元器件數目，降低系統成本。
不僅如此，帶有一個運行速度高達200 ksps的高速ADC的單片機，可以為閉環控制提供必要的速度。在兩個不同的通道上同時采樣，可以實現同時對電壓和電流進行采樣。在閉環電機控制中，需要這種高速的轉換進行反電動勢的測量。ADC可在上升沿或下降沿保持與PWM同步，使開關噪聲降至最低。綜上所述，有了這些模塊就不需要任何外部的電機控制器件，如高速ADC和位置編碼器了。
在很多電機控制應用中，故障防護操作是關鍵。帶有故障防護時鐘監控器（其中內部RC振蕩器在晶振失效時可以充當備份時鐘）的單片機使設計人員得以利用可提供高可靠性的數字控制。只需利用PWM上的可編程死區時間延遲，即可最大限度地減小開關噪聲，同時還可以按時完成設計，將新產品投放市場；否則就需要額外增加幾周的開發時間，由此帶來的差別顯而易見。在各種情況下，具有高可靠性閃存的單片機，靈活性都很強，不僅可以讓產品按時上市，而且在電機安裝前或已經投入使用后，都可以根據變化的要求進行調整。

不同的需求、推動力和解決方案
家用電器、工業和汽車這三大市場中對于電子電機控制的需要，證明具有先進的電機控制外設的單片機是大有市場的。
在家用電器市場領域，為了符合政府推行的計劃標準，如美國環保局旨在促進使用高效率家電的能源之星計劃，需要改進電機控制。洗衣機就是迫切需要改進電機控制的一類產品。直接驅動洗衣機可以不再需要電機軸與滾筒之間的連接皮帶，同時還可設置各種速度范圍和使用不同形狀的滾筒。
某洗衣機廠商對洗衣機進行了全新的設計，結果比傳統的洗衣機的耗電量減少了38%， 用水量減少了17%。電機控制的單片機可根據衣物的數量和類別調整電機的功率。但是，洗衣機的購買者對于購買價格仍然十分在意，因此廠商必須不斷降低其開發和生產成本，才能為更廣大的消費者群體提供更先進而負擔得起的洗衣機。
在家用電器中，專門為低成本電機控制應用而設計的8位單片機集成了各種功能，大大減少了額外元器件的需求。最新單片機具備片上電機PWM、故障防護時鐘監控器以及高度可靠的閃存，使家用電器中電機控制的設計得以簡化，并滿足降低成本的目標。
圖1  8位單片機驅動洗衣機中三相ACIM變頻驅動器的例子。
在工業應用領域，裝配線運行的用電成本與故障停機都將使利潤減少。我們用工業用泵中基于單片機的變速驅動（VSD）系統取代閥門為例，來說明改進控制能力將如何直接影響效率和利潤。
對于泵和風扇而言，其功耗與轉軸速度的立方根成正比。當轉軸速度降低10%時，氣流也減小10%，但能耗減少27%！如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工業應用的離心泵、風扇和鼓風機中，通過使用單片機進行變速電機控制，取代速度恒定的電機和利用閥門減小氣流的方法，可以節能25%至40%，這已得到了證明。
用單片機進行電機控制在工業應用中的收效十分明顯。因此，究竟是否采用單片機驅動的變速電機控制只需由其它一些因素來決定，如靈活性和可靠性等可避免故障的因素。具有閃存和EEPROM存儲器的單片機可實現VSD電機控制，對于需要進行升級或改善控制程序等變化，其再編程能力可滿足工業用戶所需的靈活性。Microchip的PIC18F2431或PIC18F4431等單片機具有16KB閃存和256字節EEPROM，這些8位單片機的存儲器足以應對工業環境中各種必要的變動。與之同等重要的是Microchip的閃存采用PMOS電可擦除單元（PEEC）工藝技術，其數據存儲單元的耐用性超過100萬次擦/寫周期（典型值），而數據保存期超過40年。
在汽車應用中使用電機進行通風、開關門窗以及移動座椅等已得到了廣泛應用。這些不經常使用的操作尚能容忍較低的效率，但是一些經常使用的設備如乘客空調、發動機箱內風扇等，則連續不斷地消耗著汽車中有限的能量。電機控制單片機可以使空調風扇以恰當的速度運轉來保持適宜的溫度，從而降低噪聲和功耗。
在很多情況下，用于電機控制的單片機必須利用控制器局域網絡（CAN）或局部互聯網絡（LIN）協議連接到汽車網絡。現在的車身電子設備一般采用成本較低的LIN協議以降低總系統成本。有些單片機系列具備增強型USART模塊，它支持LIN 1.2，同時還提供起始位的自動喚醒功能以及自動波特率檢測。

更加高效的未來
隨著控制算法在各個市場領域中復雜程度的不斷提高，數字電機控制器的處理能力需要從單片機的性能水平提升到數字信號處理器（DSP）的性能水平。數字信號控制器（DSC）性能更高而價格適中，采用設計人員熟悉的單片機技術，適用于更加復雜的電機控制設計，包括矢量控制設計。DSC的運行速度高達30MIPS，并具有高達144KB的閃存和電機控制專用的集成外設，可實現先進的新型電機控制應用。有了基于單片機和DSC的電子電機控制，家用電器、工業控制及汽車不僅運行效率更高、功能更豐富，而價格也適中。