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。

    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：

                                        表1 電機控制特點

       

    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

       

    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。