白色家電的低功耗MCU解決方案

過去10年來，洗衣機，冰箱和洗碗機等白色家電的設(shè)計已經(jīng)朝著積極的新方向發(fā)展。雖然性能指標如干凈？多快？多冷？仍然很重要的是，他們加入了旨在提高能源效率，安全性以及高端模型互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)計目標。

歐盟，美國和許多發(fā)達國家已經(jīng)規(guī)定了能源 - 例如，將洗衣機的平均使用率降低到每年約150kWh的效率標準。每個子系統(tǒng)都在最小化能耗方面發(fā)揮作用，但MCU的關(guān)鍵任務(wù)是執(zhí)行復(fù)雜的電機控制算法，以優(yōu)化電機的能耗。

自動可編程性 - 例如在洗衣機，烘干機和洗碗機上使用預(yù)設(shè) - 使得節(jié)能目標變得更加復(fù)雜。為了在優(yōu)化能源使用的同時為客戶提供便利，設(shè)計人員正在使用傳感器來測量負載和水溫的大小。

雖然能源消耗在每個設(shè)計師的心中，但世界各地的監(jiān)管機構(gòu)也已經(jīng)頒布了白色家電的質(zhì)量和安全標準。 IEC/UL 60730設(shè)定了硬件和軟件標準，以保護用戶免受傷害和機器本身免受損壞。

通信能力也變得越來越重要，第一步是與智能電表通信的能力?；ヂ?lián)網(wǎng)接入設(shè)備也是一個考慮因素，邏輯上可以帶來更高的安全性。

BLDC電機控制

積極的能效目標正在推動從內(nèi)置位置的電機遷移無傳感器無刷直流（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）電機的傳感器?？刂艬LDC電機需要一些設(shè)計復(fù)雜性。 PMSM控制更復(fù)雜，計算密集。它通常用于高端電器和工業(yè)電機控制。

交流供電的無刷直流電機的永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，繞組固定在定子上。磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通;通電的定子繞組產(chǎn)生電磁極。通過激勵定子相（例如，用于三相電源的120°矩形波），產(chǎn)生定子上的旋轉(zhuǎn)場。

必須嚴格控制轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間的空間關(guān)系以產(chǎn)生扭矩。這種同步需要知道轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)子上的較大數(shù)量的磁極通常為相同的電流產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，但是如果磁體之間的空間減小太多，則這種優(yōu)勢最終會消失。

MCU供應(yīng)商提供廣泛的軟件開發(fā)支持，使MCU可以在轉(zhuǎn)子靜止時以及高轉(zhuǎn)速下檢測轉(zhuǎn)子位置。使用BLDC控制轉(zhuǎn)換為無傳感器電機也需要特定的硬件，既可以作為電機控制卡上的設(shè)備，也可以集成到MCU本身。該硬件包括：快速三相脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出定時器;專用的高速比較器，用于過流檢測和轉(zhuǎn)子位置檢測;一個D/A轉(zhuǎn)換器;可編程增益放大器（PGA）和可變放大因子;和快速運算放大器。

PGA應(yīng)具有高壓擺率。還希望它支持軟件可選的可變放大因子。當PGA集成在芯片上時，消除了對用于電壓檢測或過電流檢測的外部放大器的需求。

雙通道高速比較器通常在一個通道中使用PGA輸出作為輸入信號，從而實現(xiàn)BLDC逆變器電路的過流檢測。另一個比較器通道允許用戶選擇正負輸入的任意組合，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測并管理電機的反電動勢信號。

許多MCU供應(yīng)商，包括德州儀器，意法半導(dǎo)體，恩智浦/飛思卡爾，Microchip和瑞薩都提供BLDC硬件/軟件產(chǎn)品。例如，瑞薩已將其16位，24 MHz RL78/G1G MCU系列用于BLDC。所有成員都集成了一個三相PWM定時器，一個雙通道比較器，一個8位D/A轉(zhuǎn)換器和一個能夠進行軟件控制放大的PGA。

典型的瑞薩RL78/G1G器件是R5F11EFAAFP＃30。另外還提供用于RL78/G1G MCU系列的YR0K5011EFS000BE入門套件。核心RL78/G1G功能的框圖如圖1所示。

圖1：瑞薩RL78/G1F系列設(shè)計用于支持BLDC電機。 （瑞薩半導(dǎo)體公司提供）

瑞薩最近推出了RL78/G1F系列，集成了更多功能，提供更高的時鐘速率和片上存儲器。

PMSM控制

< p> BLDC和PMSM電機都是使用轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的繞組構(gòu)建的。它們主要區(qū)別在于逆變器為電機提供的驅(qū)動信號：BLDC電機采用矩形（或某些情況下為梯形）波形控制，PMSM電機由正弦波形控制，以匹配每個電機繞組的反電動勢波形。

用于控制PMSM電機的磁場定向控制（FOC）技術(shù)比BLDC的矩形和梯形控制方案需要更多的計算能力。這意味著更高的MCU時鐘速率，32位架構(gòu)，多個ADC，軟件庫的更多片上ROM以及器件上的更多引腳。

提供BLDC硬件/軟件產(chǎn)品的相同供應(yīng)商也提供PMSM軟件包。例如，瑞薩已將其100 MHz RX62T和RX63T系列用于PMSM應(yīng)用。它們基于瑞薩專有的32位RX內(nèi)核，集成了多功能定時器，高速12位A/D轉(zhuǎn)換器和10位A/D轉(zhuǎn)換器以及其他外設(shè)。更高性能的器件是R5F563TEDDFB＃V0，具有512 Mbits的閃存和144個引腳。另外還有用于RX63T系列的R0K50563TS000BE入門套件。

STMicroelectronics是另一家擁有多個MCU系列的供應(yīng)商，用于BLDC和PMSM控制。那些能夠進行PMSM控制并基于該公司的STM32架構(gòu)和ARM Ltd.的32位Cortex-M0，M3和M4內(nèi)核的產(chǎn)品。典型的中檔產(chǎn)品是72 MHz，STM32F303VCT7。 PMSM應(yīng)用中使用的STM32F303 MCU評估套件是STEVAL-IHM042V1。

由于所有MCU供應(yīng)商的PMSM解決方案的一個組成部分是它們提供的應(yīng)用軟件和FOC軟件庫，因此值得簡要介紹STMicro開發(fā)工具的功能，這些工具組裝成硬件/軟件包。其他供應(yīng)商提供類似的產(chǎn)品。

使用STMicro的開發(fā)人員套件，開發(fā)人員可以通過使用LCD和套件中包含的操縱桿進行演示，熟悉設(shè)計過程。圖2顯示了套件組件?？梢晕⒄{(diào)或改變?nèi)缓笥糜诳刂芇MSM電機的參數(shù)包括：

扭矩，通量和速度PID的實時調(diào)整

反電動勢觀測器增益調(diào)整（無傳感器控制）

目標速度的變化（速度控制）

總線電壓和功率級溫度監(jiān)控

為DAC功能實現(xiàn)輸出的變量選擇

圖2：STMicro用于STM32F303 MCU的電機控制套件。 （由STMicroelectronics提供）

STMicro電機控制套件中的軟件可以處理PMSM和感應(yīng)電機。一個重要的補充是矢量控制庫。它與IAR，Keil和Green Hills工具鏈兼容。源文件可根據(jù)要求免費提供，包括：

三種電流檢測方法選項

隔離

三個分流電阻，具有雙采樣保持功能利用率

單個分流電阻器的專有算法

三個死記錄位置反饋選項

轉(zhuǎn)速計（僅適用于感應(yīng)電機）

霍爾傳感器（ 60°和120°放置

無傳感器（僅限PMSM電機）

FOC的執(zhí)行時間用于PMSM電機的STM32 F1系列的無傳感器模式小于21μs（STM F4 MCU小于10μs）.10 kHz采樣時的總CPU負載小于25％，代碼大小小于14 Kbytes 。

安全要求

除能源效率外，標準和監(jiān)管機構(gòu)還公布了白色家電的質(zhì)量和安全標準。例如，IEC/UL 60730制定了硬件標準和用于保護用戶免受傷害和機器損壞的軟件具體而言，IEC/UL 60730詳細介紹了測試和診斷方法，以確保設(shè)備的嵌入式控制硬件和軟件的操作是安全的。

白色產(chǎn)品符合IEC 60730 B類標準，有兩個簡單的組件：能夠防止受控設(shè)備的不安全操作;軟件包括用于防止設(shè)備發(fā)生故障時的危險的代碼。

MCU必須在啟動后執(zhí)行特定的軟件測試，并在運行期間定期執(zhí)行，以確保系統(tǒng)按設(shè)計運行。這些包括CPU和RAM測試; ROM/flash測試;時鐘測試和外圍測試。圖3標識了MCU硬件子系統(tǒng)或功能以及該子系統(tǒng)中的故障類型，必須根據(jù)IEC/UL 60670標準進行識別和糾正。

圖3：為了達到IEC 60730標準，測試必須驗證MCU或控制模塊中8個硬件子系統(tǒng)的正常運行。 （由IEC提供）

ROM/Flash測試基于循環(huán)冗余校驗（CRC），它可識別所有單比特錯誤和大多數(shù)多比特錯誤。用作校驗和的CRC值可以使用查找表或比特移位在軟件中計算;查找表需要更多的代碼空間，但CPU周期更少。包括瑞薩在內(nèi)的一些公司為MCU提供專用的CRC計算電路，該電路可在兩個機器周期內(nèi)為一個字節(jié)的數(shù)據(jù)生成CRC值。

盡管測試是在軟件中使用低級軟件執(zhí)行的測試程序，在許多情況下，如果將額外的外圍設(shè)備集成到MCU中，測試可以成功。其中最重要的外圍設(shè)備是：

糾錯碼（ECC）閃存

Deadman Timer（DMT）

窗口看門狗定時器（WWDT）

備份系統(tǒng)振蕩器

WWDT至關(guān)重要，因為它可以確保正確執(zhí)行MCU的控制算法。對于B類產(chǎn)品，WWDT必須滿足四個要求：它必須有一個單獨的基于時間的振蕩器;它不能通過軟件禁用，必須實現(xiàn)基于硬件的復(fù)位;并且，必須在初始化和/或硬件復(fù)位后獲得安全I/O狀態(tài)。

所有主要的MCU供應(yīng)商都在其開發(fā)套件中提供IEC 60730解決方案。

Microchip Technology已推出其16位dsPIC33EV數(shù)字信號控制器（DSC），該產(chǎn)品屬于該公司的dsPIC33EV系列。 “EV”系列是第一款帶有糾錯碼（ECC）閃存的dsPIC33 DSC，可提高可靠性和安全性。

這一新系列提供5 V操作，可提高設(shè)備和汽車應(yīng)用中遇到的環(huán)境的抗噪性和穩(wěn)定性。對于安全關(guān)鍵型應(yīng)用，dsPIC33EV器件還包括CRC，死區(qū)定時器（DMT）和窗口看門狗定時器（WWDT）外設(shè)，以及備用系統(tǒng)振蕩器和經(jīng)過認證的B類軟件。

dsPIC33EV系列器件提供28種SOIC，28種QFN，28種SPDIP，44種TQFP，44種QFN，64種TQFP和64種QFN封裝，閃存范圍為64 KB至256 KB，包括有和沒有CAN的選項。 DS中的典型部分包括多達六個電機控制PWM，12位ADC和運算放大器。

結(jié)論

由于歐盟等國家和地區(qū)政府機構(gòu)規(guī)定的能源和安全目標，白色家電的設(shè)計變得更加復(fù)雜。實現(xiàn)這些目標導(dǎo)致使用BLDC和PMSM電機向無傳感器電機控制設(shè)計過渡。軟件開發(fā)工具和庫與MCU上的外設(shè)集成同樣重要。供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出各種解決方案，包括16位和32位MCU。有時還包括DSP功能，以便更快地執(zhí)行算法。