家电MCU对于低能耗和安全的要求逐渐变高

过去的十年里，洗衣机、冰箱和洗碗机等白色家电的设计已经朝着积极的新方向发展。尽管“How clean? How fast? How cold?”等性能指标仍然重要，但现在家电的设计目标还要加入包括能源效率、安全性，以及在高端模型中，还包括互联网连通性。

欧盟、美国以及许多发达国家已经制定了能效标准，如按标准执行，例如洗衣机的年均能耗降低到约150千瓦时。每个子系统的优化在降低能耗方面都有作用，但MCU执行优化电机能源使用的复杂电机控制算法的任务至关重要。

 

无刷直流电机（BLDC）控制

 

对能效的积极目标正在推动电机从内置位置传感器向无传感器的无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）转型。BLDC电机控制涉及一些设计复杂性。PMSM的控制更为复杂和需要计算，通常在高端家电和工业电机控制中使用。

使用交流电的BLDC电机将永磁体固定在转子上，线圈则设置在定子上。磁体创造出转子磁通；通电的定子线圈创造出电磁极。通过通电到定子相位（比如，对于3相电来说，则是一个120°的矩形波），就可以在定子上创造一个旋转场。

 

转子和旋转场之间的空间关系必须被紧密控制才能产生扭矩。这种同步需要知道转子的位置。转子上的极数越多，同样的电流下通常产生的扭矩越大，但如果磁体间隙缩小过多，这个优势最终会消失。

 

MCU供应商提供大量的软件开发支持，使MCU能够在转子静止时以及高速旋转时感知转子位置。转向使用BLDC控制的无传感器电机还需要特定的硬件，要么是在电机控制卡上的设备，要么是集成到MCU自身中。这种硬件包括：快速的3相脉冲宽度调节（PWM）输出定时器；专用的高速比较器用于过流检测和转子位置检测；D/A转换器；可编程增益放大器（PGA）和变量增益因素；以及快速运算放大器。

 

典型的双通道高速比较器通常使用PGA输出作为在一个通道的输入信号，它可以进行BLDC逆变器电路的过流检测。另外一个比较器通道允许用户来选择快速定位任何正负输入的组合以实现转子位置的检测和管理电机的反电动势信号。

 

PMSM控制

 

BLDC电机和PMSM电机都使用永磁体建立在转子上和线圈建立在定子上。它们主要的不同在于由逆变器供应给电机的驱动信号：BLDC电机受到矩形（或者在某些情况下是梯形）波形的控制，PMSM电机则是受到匹配每个电机线圈的反电动势波形的正弦波形的控制。

用来控制PMSM电机的磁场定向控制（FOC）技术需要比BLDC的矩形和梯形控制方案更大的计算能力。这意味着更高的MCU时钟频率，32位架构，多个ADC，更多的集成ROM用于软件库，以及设备上更多的引脚。

 

开发人员可以通过使用套件中包含的LCD和摇杆的演示来熟悉设计过程。可以调整或改变并用于控制PMSM电机的参数包括：

 

实时调整转矩，通量，和速度的PID

反电动势观察器增益调整（用于无传感器控制）

目标速度变动（速度控制）或目标转矩和通量（转矩控制）

总线电压和功率级温度监控

选择变量以实现DAC功能实现的输出

 

除了能源效率，标准和监管机构也发布了白色家电的质量和安全标准。例如，IEC/UL 60730为保护用户免受伤害和保护设备免受损坏，设置了硬件和软件方面的标准。具体来说，IEC/UL 60730详细约定了测试和诊断方法，确保嵌入式控制硬件和应用于家电的软件的运行是安全的。

 

白色家电需要满足IEC 60730 Class B遵从性，它有两个简单的部分：阻止受控设备非安全运行的能力；以及，软件包括在家电发生故障时防止危险的代码。

 

MCU需要在启动后和运行阶段定期执行特定的软件测试，来确保系统按照设计运行。这些包括CPU和RAM测试；ROM/flash测试；时钟测试；以及外围设备测试。图3辨识了需要被识别和纠正以便遵从IEC/UL 60670的MCU硬件子系统或功能的故障类型。

 

ROM/Flash测试基于循环冗余校验（CRC），它可以识别所有的单位错误和大部分的多位错误。用作校验数的CRC值可以在软件中计算，通过查找表或位移操作；查找表需要更多的代码空间但节省了CPU周期。

虽然测试是在软件中执行的，是使用软件测试，但在许多情况下，如果有更多的外围设备集成到MCU中，也仍要再次测试。其中最重要的外围器件包括：

 

纠错码（ECC）Flash

死机定时器（DMT）

窗口看门狗定时器（WWDT）

备用系统振荡器

WWDT至关重要，因为它保证了MCU的控制算法的正确执行。对于Class-B设备，WWDT需要满足四个要求：它必须有一个单独的基于时间的振荡器；它不能通过软件被禁用，它必须实现硬件复位；以及，必须有对初始化和/或硬件复位后获取安全I/O状态的预案。

 

欧盟以及其它诸如国家和地方政府机构发布的能源和安全目标使得白色家电的设计变得越来越复杂。达到这些目标必须要向使用BLDC和PMSM电机的无传感器电机控制设计迁移。软件开发工具和库与MCU上的外围集成物一样重要。供应商们已经开发了多种解决方案，包括16位和32位的MCU。在一些情况下，DSP能力也被包含以便实现更快的算法执行。