采用優(yōu)化微控制器的先進(jìn)功率設(shè)計(jì)有什么優(yōu)點(diǎn)？

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(lái)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(dòng)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(chǎng)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(guò)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(guó)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(chǎng)對(duì)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(chǎng)分析師宣稱，從2006年至2011年，電機(jī)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到10％。工業(yè)電機(jī)的這種強(qiáng)勁增長(zhǎng)，將帶動(dòng)微控制器的增長(zhǎng)，使其在同期的年均復(fù)合增長(zhǎng)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(shí)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(chǎng)定向控制

場(chǎng)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(duì)功耗、電機(jī)動(dòng)態(tài)、散熱和噪音將產(chǎn)生巨大影響。相對(duì)于基于傳感器的電機(jī)控制，無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）或永磁同步電機(jī)（PMSM）的無(wú)傳感器場(chǎng)定向控制可帶來(lái)額外的成本益處（圖2）。無(wú)傳感器方法利用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（電磁力）計(jì)算轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)子位置。反電動(dòng)勢(shì)在磁鏈觀測(cè)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(gè)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(wú)傳感器FOC特性。

無(wú)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(duì)于無(wú)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(duì)較高，但在低速條件下，會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這導(dǎo)致了FOC的產(chǎn)生。無(wú)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(dòng)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(shí)間和速度的影響，可直接獨(dú)立控制磁通量和轉(zhuǎn)矩。通過(guò)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(shí)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(wú)刷直流電機(jī)，用于改善它們的效率和性能。通過(guò)升級(jí)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(dòng)當(dāng)今微控制器發(fā)展的主要因素，因此一個(gè)以8位價(jià)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(gè)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(gè)可靈活生成PWM的捕獲/比較單元（CCU6）和一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)精確測(cè)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(hào)產(chǎn)品還搭載了一個(gè)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(shí)，只需占用CPU約一半的處理性能，這在整個(gè)業(yè)界也是獨(dú)一無(wú)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(gè)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(gè)并聯(lián)的計(jì)算單元：一個(gè)16位乘除單元（MDU）和一個(gè)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(kāi)發(fā)人員帶來(lái)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(wàn)枚訂購(gòu)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(gè)MDU和一個(gè)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(gè)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(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)的無(wú)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(cè)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(chǔ)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(cè)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(gè)時(shí)鐘頻率為48MHz的捕獲比較單元（CCU6）和一個(gè)快速16MHz ADC。這個(gè)ADC的采樣時(shí)間僅為125ns，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為820ns。在設(shè)計(jì)中，ADC與CCU6直接通過(guò)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(gè)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(guò)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(gè)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(gè)管腳用于實(shí)現(xiàn)半雙工連接），只有3個(gè)專用電源管腳（VDDC、VDDP、VSSP）、通過(guò)單管腳DAP實(shí)現(xiàn)的OCDS調(diào)試支持和啟動(dòng)模式的非易失性配置。

圖6：全新的XC82x/XC83x器件經(jīng)過(guò)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(gè)全新的特性，以提供額外價(jià)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(dòng)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(jiǎn)化適用于高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件和軟件解決方案的評(píng)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(dòng)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(gè)免費(fèi)的工具鏈（編譯器、實(shí)時(shí)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(wú)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(dòng)的獨(dú)特的自動(dòng)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(dòng)的軟件開(kāi)發(fā)周期。電機(jī)控制裝置設(shè)計(jì)者可集中精力快速開(kāi)發(fā)具體應(yīng)用軟件，例如驅(qū)動(dòng)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(lái)自于預(yù)編譯庫(kù)。它還能對(duì)具體客戶電機(jī)實(shí)施快速調(diào)整。電機(jī)類型可從庫(kù)中選擇，或者通過(guò)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(duì)更高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換解決方案的需求，導(dǎo)致對(duì)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(wú)傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)的阻塞換相、適用于無(wú)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(kāi)發(fā)當(dāng)中。