采用優(yōu)化微控制器的先進(jìn)功率設(shè)計(jì)可為多種應(yīng)用帶來巨大節(jié)能潛力。改進(jìn)的能效和降低的系統(tǒng)成本將推動風(fēng)扇、水泵、壓縮機(jī)、齒輪電機(jī)的現(xiàn)代化電機(jī)控制設(shè)計(jì),以及用于照明產(chǎn)品或電磁爐的功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。智能化控制理念的實(shí)施,比如適用于電機(jī)的場定向控制(FOC)或適用于LED的電流控制,有助于滿足這些需求。英飛凌致力于迎接能效和成本效率挑戰(zhàn),通過推出具備優(yōu)化特性(包括可以較低實(shí)施成本獲得大幅節(jié)能的FOC特性)的新微控制器系列,進(jìn)一步壯大了8位微控制器產(chǎn)品陣容。
在工業(yè)化國家,電機(jī)的耗電量占總電耗的一半以上。電機(jī)耗電量占工業(yè)用電量的三分之二,約占居民用電量的四分之一。改善電機(jī)的能效可大幅節(jié)能并降低運(yùn)行成本。目前,市場對具有更高能效的變頻電機(jī)(如風(fēng)扇、泵)的需求不斷提高。IMS Research的市場分析師宣稱,從2006年至2011年,電機(jī)的年均復(fù)合增長率將達(dá)到10%。工業(yè)電機(jī)的這種強(qiáng)勁增長,將帶動微控制器的增長,使其在同期的年均復(fù)合增長率達(dá)到8.9%。
除電機(jī)控制外,功率電子裝置還有助于大幅改善照明、電磁爐和空調(diào)的能效。這些領(lǐng)域的節(jié)能潛力在25%以上(圖1)。微控制器是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的核心組件。低成本、易用的微控制器可降低高能效設(shè)計(jì)的門檻,同時可確保采用先進(jìn)的控制方法。
圖1:采用功率電子器件的節(jié)能潛力。
場定向控制
場定向控制(FOC),或稱矢量控制是一種控制三相交流電機(jī)的方法。采用這種方法控制電機(jī),有利于降低電機(jī)的尺寸、成本和功耗。采用FOC方法,可大幅改善電機(jī)的能效。這對功耗、電機(jī)動態(tài)、散熱和噪音將產(chǎn)生巨大影響。相對于基于傳感器的電機(jī)控制,無刷直流電機(jī)(BLDC)或永磁同步電機(jī)(PMSM)的無傳感器場定向控制可帶來額外的成本益處(圖2)。無傳感器方法利用電機(jī)的反電動勢(電磁力)計(jì)算轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)子位置。反電動勢在磁鏈觀測器中進(jìn)行計(jì)算,這是以二相坐標(biāo)系中的系統(tǒng)電壓模型為基礎(chǔ)。一個分支足以重建相電流。
圖2:以極低的成本獲得較高的能效:全新的XC83x器件可確保以極高的成本效率,實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的無傳感器FOC特性。
無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)與運(yùn)行優(yōu)化微控制器的強(qiáng)大電機(jī)控制算法結(jié)合使用,可確保提供最高能效的解決方案。對于無刷電機(jī)而言,包括梯形、正弦和FOC在內(nèi)的多種電機(jī)控制系統(tǒng)算法都適用。
在低速條件下,正弦換相可確保平滑運(yùn)行,但在高速條件下,效率不足。阻塞換相在高速條件下,效率相對較高,但在低速條件下,會引起轉(zhuǎn)矩脈動。這導(dǎo)致了FOC的產(chǎn)生。無論在低速還是在高速條件下,F(xiàn)OC都具備最佳的性能。采用FOC,可使電機(jī)的效率高達(dá)95%,并降低能耗和噪音,以及提供出色的轉(zhuǎn)矩動態(tài)特性。這可在相同轉(zhuǎn)矩條件下,使逆變器獲得更高效率,功率極更小,電機(jī)尺寸更小。
FOC算法不受時間和速度的影響,可直接獨(dú)立控制磁通量和轉(zhuǎn)矩。通過數(shù)學(xué)公式(Clarke及Park變換),可將電機(jī)的電氣狀態(tài)轉(zhuǎn)換為時間不變性旋轉(zhuǎn)兩軸坐標(biāo)系。FOC可用于交流感應(yīng)電機(jī)和無刷直流電機(jī),用于改善它們的效率和性能。通過升級控制系統(tǒng),它還適用于現(xiàn)有的電機(jī)。
可擴(kuò)展的微控制器系列
由于降低功耗、縮減成本和提升性能是驅(qū)動當(dāng)今微控制器發(fā)展的主要因素,因此一個以8位價格提供16位性能的8位微控制器系列,可滿足多種苛刻應(yīng)用的需求。英飛凌的XC800系列(圖3)將一個8051內(nèi)核與嵌入式閃存(4KB至64KB)結(jié)合使用,封裝的管腳數(shù)為16(TSSOP16)至64(QFP64)。為降低系統(tǒng)成本,XC800系列還集成了晶振、穩(wěn)壓器、EEPROM和監(jiān)控電路等特性。不同的閃存尺寸、可擴(kuò)展的外設(shè)和FOC等創(chuàng)新特性,使得能夠輕松選擇所需的產(chǎn)品,滿足專業(yè)應(yīng)用的需求。XC800系列還具備功能強(qiáng)大的外設(shè),這使得其成為各種電機(jī)控制和功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想之選。這些外設(shè)包括一個可靈活生成PWM的捕獲/比較單元(CCU6)和一個用于實(shí)現(xiàn)精確測量并與PWM實(shí)現(xiàn)硬件同步的增強(qiáng)型快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。此外,某些型號產(chǎn)品還搭載了一個支持FOC的16位矢量計(jì)算機(jī)。這是業(yè)內(nèi)首款采用16位矢量計(jì)算機(jī)的8位微控制器。采用這種矢量計(jì)算機(jī),執(zhí)行FOC功能時,只需占用CPU約一半的處理性能,這在整個業(yè)界也是獨(dú)一無二的。
圖3:適用于廣泛的電機(jī)控制和功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的可擴(kuò)展微控制器產(chǎn)品組合。
FOC功能(在XC886/888、XC878和即將面世的XC83x產(chǎn)品中采用)將高性能8051內(nèi)核與一個矢量計(jì)算機(jī)協(xié)處理器內(nèi)核結(jié)合使用,執(zhí)行16位算數(shù)運(yùn)算。這種可完全編程的矢量計(jì)算機(jī)搭載兩個并聯(lián)的計(jì)算單元:一個16位乘除單元(MDU)和一個適用于矢量旋轉(zhuǎn)和角度計(jì)算的16位協(xié)處理器CORDIC。這種矢量計(jì)算機(jī)基于中斷的運(yùn)算,可降低CPU負(fù)載。與競爭對手多數(shù)采用硬編碼的FOC技術(shù)不同,基于XC800微控制器的解決方案具備軟件再編程特性,為可開發(fā)人員帶來更多應(yīng)用選擇。
低功耗與低成本
得益于不足0.40歐元(10萬枚訂購量)的低成本,XC82x 和 XC83x微控制器可確保以極其經(jīng)濟(jì)劃算的方式,實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制理念。XC82x集成了一個MDU和一個快速ADC,以提供快速PWM單元,和霍爾傳感器一起實(shí)現(xiàn)正弦換相。此外,XC83x(圖4)集成了一個增強(qiáng)型矢量計(jì)算機(jī)(MDU和CORDIC),提供全硬件支持FOC功能。
圖4:采用全新增強(qiáng)型外設(shè)的XC83x系列的框圖。
對于無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)的無傳感器FOC等優(yōu)化電控控制而言,可獲得可配置的參考代碼(PWM頻率、電機(jī)參數(shù)和電流測量標(biāo)度),并具備如下特性:16位算法、搭載24位數(shù)據(jù)存儲器的抗飽和PI控制器、32位分辨率通量計(jì)算和低于150微秒的快速控制環(huán)路計(jì)算。
下列要求是確保照明應(yīng)用(如LED電流控制或HID功率控制和點(diǎn)火)和電磁爐(準(zhǔn)諧振控制)實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵:高分辨率PWM、快速ADC測量、自主式外設(shè)及適用于控制回路并具備保護(hù)功能的比較器。
為滿足這些需求,XC82x/XC83x微控制器具備一個時鐘頻率為48MHz的捕獲比較單元(CCU6)和一個快速16MHz ADC。這個ADC的采樣時間僅為125ns,轉(zhuǎn)換時間約為820ns。在設(shè)計(jì)中,ADC與CCU6直接通過硬件連接(圖5),可確保有力的PWM控制。集成的ADC限值檢驗(yàn)器還具備8位數(shù)字比較器的功能。此外,采用了一個ADC“超量程(out of range)”比較器。
圖5:ADC與CAPCOM6單元的直接硬件連接可確保實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的PWM控制。
這些全新的微控制器經(jīng)過優(yōu)化,采用具備較少管腳的封裝(圖6),可降低占板空間和成本。支持低管腳數(shù)的特性包括:一個集成的晶振(48MHz)、集成的ADC參考電壓(1.25V)、雙向端口結(jié)構(gòu)(一個管腳用于實(shí)現(xiàn)半雙工連接),只有3個專用電源管腳(VDDC、VDDP、VSSP)、通過單管腳DAP實(shí)現(xiàn)的OCDS調(diào)試支持和啟動模式的非易失性配置。
圖6:全新的XC82x/XC83x器件經(jīng)過優(yōu)化,具備較少的管腳。
此外,全新的低成本XC82x和 XC83x系列還具備幾個全新的特性,以提供額外價值,包括容式觸控感應(yīng)和 LED矩陣控制器、搭載32kHz 和 75kHz晶振的RTC以及直接驅(qū)動步進(jìn)計(jì)量裝置的大電流焊盤。
適用于高能效產(chǎn)品設(shè)計(jì)
要想使創(chuàng)新的電機(jī)控制概念得到高效的部署和應(yīng)用,需要采用優(yōu)化的微控制器架構(gòu)和易用工具。英飛凌不僅提供可擴(kuò)展的強(qiáng)大微控制器,而且提供帶有相關(guān)工具鏈的完整解決方案。此外,英飛凌還提供廣泛的應(yīng)用套件。這些應(yīng)用套件可簡化適用于高效電機(jī)驅(qū)動的硬件和軟件解決方案的評估與部署。提供的應(yīng)用套件和工具鏈支持在微控制器上快速部署全新的電機(jī)控制技術(shù)。提供的適用于電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)品的全套參考系統(tǒng),支持從阻塞換相到FOC的所有算法。
所有應(yīng)用套件都包含一個免費(fèi)的工具鏈(編譯器、實(shí)時調(diào)試環(huán)境等)和即插即用的設(shè)計(jì),因?yàn)樗邆渌邢嚓P(guān)的硬件和軟件部件。提供的完整解決方案包含微控制器、功率半導(dǎo)體和無源組件。硬件設(shè)計(jì)范例等補(bǔ)充性資料也包含在應(yīng)用套件中。
這些應(yīng)用套件可與適用于電機(jī)驅(qū)動的獨(dú)特的自動代碼生成器DAvE Drive結(jié)合使用。DAvE Drive是一種適用于英飛凌8位微控制器系列的應(yīng)用代碼生成器。由于可輕松、快速地配置FOC等復(fù)雜控制算法,它有助于縮短電機(jī)驅(qū)動的軟件開發(fā)周期。電機(jī)控制裝置設(shè)計(jì)者可集中精力快速開發(fā)具體應(yīng)用軟件,例如驅(qū)動功能的編程。DAvE Drive軟件工具生成基于源代碼的完整算法,不是來自于預(yù)編譯庫。它還能對具體客戶電機(jī)實(shí)施快速調(diào)整。電機(jī)類型可從庫中選擇,或者通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電壓、相電感或電阻等主要特性,確定電機(jī)類型。采用DAvE Drive,可輕松調(diào)整速度和電流控制等參數(shù)。
本文小結(jié)
對更高效的電機(jī)驅(qū)動和功率轉(zhuǎn)換解決方案的需求,導(dǎo)致對相關(guān)微控制器需求的增大。英飛凌XC800微控制器家族具備適用于不同電機(jī)控制方法的可擴(kuò)展解決方案。這些電機(jī)控制方法包括,適用于搭載霍爾傳感器或無傳感器的無刷直流電機(jī)的阻塞換相、適用于無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)的FOC,以及FOC與PFC(功率因數(shù)控制)的結(jié)合應(yīng)用。適用于照明產(chǎn)品和電磁爐的參考代碼和應(yīng)用套件目前尚在開發(fā)當(dāng)中。
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