NEC 8位MCU降低180度马达设计门槛
电机是社会上各领域广泛使用的且耗能巨大一种产品，如何提高电机效率，降低电机能耗成了电机发展的方向。直流无刷电机以其效率高，噪声小等优点，在各个领域都获得了广泛的使用。本文主要介绍了NEC专为变频控制应用推出的8位MCU系列的特点以及使用uPD78F0712设计的永磁同步电机(PMSM)180°控制器解决方案。该方案具有低成本、高效率和低噪声等优点，已经应用在了国内一些知名的空调厂商的空调室外风机上。 滑动门技术
I 180°控制的应用场合及特点
在一些应用场合，要求马达以不同的速度连续的运转，因此要求低成本电机驱动具有调速和节能或者低噪声等特点，例如水泵、空调风机等。类似的这些场合不适合使用变频器驱动的交流异步电机，而适合使用小功率无刷直流电机进行调速。
无刷直流电机分为方波控制（120°控制）的BLDC和正弦波控制（180°控制）的PMSM 永磁同步电机。下表是各个电机控制特点比较：
gprs水表表1 电机控制特点
PMSM永磁同步电机交流异步感应电机特点 BLDC
相电压和相电流方波正弦波正弦波电流峰值高低低转矩较大脉动平滑平滑
噪声高低低铁芯功耗高低低
开关损耗低高高
电机效率高高低实现简单较复杂更复杂驱动器成本低低高驱动器功率范围几十瓦～几千瓦几十瓦～几千瓦几十瓦～几百千瓦适用范围小功率小功率大功率
由上表可以看出，在小功率电机范围内，180°马达控制具有噪声低效率高的优点。
永磁同步电机的180°控制有两种方法：第一种直接输入正弦波进行PWM调制然后使用PID进行控制；第二种是矢量控制(field oriented control, FOC)，对永磁同步电机转子磁场解耦控制。下表是180°控制的两种方式的特点 表2 两种180°控制方法的特点
本质电机控制电压利用率复杂程度谐波分量转矩动态响应
标量控制 86.5% 易高差SPWM PWM正弦脉宽调
制方法
100% 复杂底良
FOC 电机控制方法电流向量解耦
控制
180°矢量控制FOC对MCU的要求：
由于矢量控制算法的复杂性，相比120°控制或者SPWM控制，180°的FOC对MCU有更高的要求。
1.较强的数学运算能力：矢量控制涉及到解耦控制、PID计算，因此对MCU要求有较强
的运算能力和指令运行速度，一般的8位MCU难以满足要求
2.较快的乘法计算：在矢量控制中要用到各种数学变换，变换中有很多乘法运算，因此对
不锈钢表面钝化MCU要求有快速的乘法运算
3.转速的反馈接收：闭环控制中，要求MCU能接受速度传感器反馈的信息
II NEC的8位MCU
NEC专门为马达变频控制开发了一系列的8位MCU：78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等。这类MCU和16位机一样集成了内部的硬件乘法器、功能强大的定时器、多个通用寄存器、快速的指令运行系统、可编程脉冲发生器、独立的变频控制模块。这类专有的硬件功能使得NEC的8位MCU相对其他品牌MCU更适合永磁同步电机的180°矢量控制。 更适合低成本180°矢量控制NEC的8位MCU特有功能：
1.硬件乘法器能够更快的对矢量控制中的各种变换算法进行运算，从而节省软件运行时间
2.32个8位（16个16位）通用寄存器特有的 Bank结构使得永磁同步电机的180°矢量
控制程序运行效率更高
3.多达6个外部中断输入，省却硬件捕获单元对速度传感器信号进行分析，降低180°马
达矢量控制方案的成本
4.在线自编程功能，可存储马达设置参数，省却外部EEPROM，节省成本和空间，适合低
成本的180°矢量控制
5.可编程脉冲发生器（PPG），能指定脉冲宽度、脉冲周期，可用于马达频率反馈，简化软
件的编程
6.带2个自由中断专用变频控制模块，2个自由中断可在PWM周期的任意时刻产生中断，
可根据用户需要的任意时刻对电流进行采样。
7.8-bit的可编程死区控制，死区时间范围：0.1us～25.6us
8.独立外部信号输入，专用于控制PWM高阻态输出，可用于马达的紧急停车。
图1 NEC的MCU特点
图1显示了8位变频控制的MCU的特点，表3给对图1中的各个功能给出了说明。
表3 变频控制用的8位MCU特点
MCU特点说明对马达解决方案的好处
强大的定时器功能 8位宽度的可编程死区
8位和16位功能丰富的定时器 （外部事件计数器、方波输出、PWM 输出、脉冲宽度测量、单脉冲触发器） 丰富的马达控制扩展功能、输出频率反馈信号、死区可适应不同的功率开关管
变频专用模块
带AD 触发功能
在PWM 周期中的任意时刻可产生
2个自由中断 马达变频控制、电流采样过流保护
硬件乘法/除法器 乘法器：16位x16位，除法器32位/16位
加速马达高效率驱动180°矢量控制算法，加强运算能力10-bit ADC
3.6us 的转换时间，AD 转换功能，电源低电压检测功能
满足大部分的马达控制AD 采样功能，可检测电动车电源电量进行报警
实时输出端口
在IO 口上实时输出6bit 或者4bit 数据
不仅实现180°控制，还可实现120°控制和步进马达驱，可在同一驱动器实现多种马达驱动方式
toubai多个通用寄存器 32x8bit 或者16x16bit
可提高程序运行效率 多个外部中断输入 6个外部中断输入，可编程边缘检测 省却捕获单元，检测速度反馈自编程功能
对flash 进行在线自编程
可以在线存储马达参数设置、功能设定，省却外部EEPROM ，节省成本和空间 可编程脉冲发生器 PPG 脉冲频率可设定，脉冲宽度可设定
Programmable pulse generator 可用于马达频率反馈，例如马达每转1圈MCU 输出一定数量的脉冲
马达紧急停车
外部信号输入控制PWM 高阻态输出
无须软件功能，直接硬件控制
III NEC 的电机控制方案直流节能灯
下图是NEC 利用上述8位MCU uPD78F071x 的特有的功能，开发出一套低成本的180
Driver 部分
图2 HS/DC-8系统构成
Pre-Pre-Pre-Pre-Pre-
Pre-
Hall
Motor 部分
温度検出
度矢量控制方案HS/DC-8，图2为系统构成。
HS/DC-8正是利用8位MCU的特有的硬件功能来实现180°矢量控制(FOC)，通过反馈速度计算出矢量控制的PWM占空比的值，空间矢量PWM（SVPWM）输出驱动功率模块，直接控制电机转矩，电机的转速反馈采用霍尔传感器。
HS/DC-8驱动器适用于额定容量为20W~1KW小功率电机，6~120Hz的电气角频率，永磁磁通0.5Wb以下。
HS/DC-8相比其他半导体厂商MCU的马达控制方案具有以下优势：
z低损耗，MCU中专用的变频控制的定时器，可实现两相调制的低损耗PWM方式，可将逆变器中的功率开关管损耗降低30％左右，从而延长驱动器寿命
z高效率、低噪声，由于MCU的硬件乘法器可以快速的实现180°矢量控制算法，方案中又加入了自动相位控制，确保马达电流始终保持在最小值进行自动控制
z丰富的保护和定制功能，依赖于MCU中强大的定时器功能、丰富的IO功能和AD功能，例如死区保护、霍尔类型选定、频率反馈脉冲数的选定、PWM初始化异常检测、过压保护、
z低成本，8位MCU节省外部的EEPROM和内部的硬件捕获单元，使得MCU成本降低
世强电讯的技术支持：
用户除了能获得NEC的8位MCU低成本、高性能的好处，还可以获得世强电讯提供的技术支持服务。
a)应用咨询：在一些工业或者消费类的产品上面，世强电讯可根据客户的实际情况提
供电机使用环节的建议，例如使用什么样的电机可以达到节能、成本最低的效果
b)方案设计：用户实际应用HS/DC-8的方案时，需要在产品中对HS/DC-8的功能进
行增加或者删减，以便实现更多的功能和减少不必要的成本。世强电讯可帮助客户
在产品设计中，考虑HS/DC-8的方案更改，为产品量身订制特定的方案
c)硬件参考设计：HS/DC-8可以提供硬件参考设计并且给用户预备了功能丰富的外部
硬件接口，但实际用户使用时需要设计产品自身的硬件接口以便能对HS/DC-8进
行外部的控制。例如可以增加通讯硬件功能，人机界面硬件功能
d)软件设计：HS/DC-8已经提供了丰富的保护和定制功能，以适应用户不同的马达系
衣架制作
统，世强电讯可以帮助用户设定参数，产品软件调试等。
世强电讯技术支持团队所依赖的平台能给用户提供系统的服务流程，提供针对客户需要的新产品推介、快速样品、售后和物流服务。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议