采用优化微控制器的先进功率设计有什么优点？

采用优化微控制器的先进功率设计可为多种应用带来巨大节能潜力。改进的能效和降低的系统成本将推动风扇、水泵、压缩机、齿轮电机的现代化电机控制设计，以及用于照明产品或电磁炉的功率转换设计。智能化控制理念的实施，比如适用于电机的场定向控制（FOC）或适用于LED的电流控制，有助于满足这些需求。英飞凌致力于迎接能效和成本效率挑战，通过推出具备优化特性（包括可以较低实施成本获得大幅节能的FOC特性）的新微控制器系列，进一步壮大了8位微控制器产品阵容。

在工业化国家，电机的耗电量占总电耗的一半以上。电机耗电量占工业用电量的三分之二，约占居民用电量的四分之一。改善电机的能效可大幅节能并降低运行成本。目前，市场对具有更高能效的变频电机（如风扇、泵）的需求不断提高。IMS Research的市场分析师宣称，从2006年至2011年，电机的年均复合增长率将达到10％。工业电机的这种强劲增长，将带动微控制器的增长，使其在同期的年均复合增长率达到8.9%。

除电机控制外，功率电子装置还有助于大幅改善照明、电磁炉和空调的能效。这些领域的节能潜力在25％以上（图1）。微控制器是实现节能的核心组件。低成本、易用的微控制器可降低高能效设计的门槛，同时可确保采用先进的控制方法。

图1：采用功率电子器件的节能潜力。

场定向控制

场定向控制（FOC），或称矢量控制是一种控制三相交流电机的方法。采用这种方法控制电机，有利于降低电机的尺寸、成本和功耗。采用FOC方法，可大幅改善电机的能效。这对功耗、电机动态、散热和噪音将产生巨大影响。相对于基于传感器的电机控制，无刷直流电机（BLDC）或永磁同步电机（PMSM）的无传感器场定向控制可带来额外的成本益处（图2）。无传感器方法利用电机的反电动势（电磁力）计算转角和转子位置。反电动势在磁链观测器中进行计算，这是以二相坐标系中的系统电压模型为基础。一个分支足以重建相电流。

图2：以极低的成本获得较高的能效：全新的XC83x器件可确保以极高的成本效率，实现永磁同步电机的无传感器FOC特性。

无刷直流电机、永磁同步电机或交流感应电机与运行优化微控制器的强大电机控制算法结合使用，可确保提供最高能效的解决方案。对于无刷电机而言，包括梯形、正弦和FOC在内的多种电机控制系统算法都适用。

在低速条件下，正弦换相可确保平滑运行，但在高速条件下，效率不足。阻塞换相在高速条件下，效率相对较高，但在低速条件下，会引起转矩脉动。这导致了FOC的产生。无论在低速还是在高速条件下，FOC都具备最佳的性能。采用FOC，可使电机的效率高达95％，并降低能耗和噪音，以及提供出色的转矩动态特性。这可在相同转矩条件下，使逆变器获得更高效率，功率极更小，电机尺寸更小。

FOC算法不受时间和速度的影响，可直接独立控制磁通量和转矩。通过数学公式（Clarke及Park变换），可将电机的电气状态转换为时间不变性旋转两轴坐标系。FOC可用于交流感应电机和无刷直流电机，用于改善它们的效率和性能。通过升级控制系统，它还适用于现有的电机。

可扩展的微控制器系列

由于降低功耗、缩减成本和提升性能是驱动当今微控制器发展的主要因素，因此一个以8位价格提供16位性能的8位微控制器系列，可满足多种苛刻应用的需求。英飞凌的XC800系列（图3）将一个8051内核与嵌入式闪存（4KB至64KB）结合使用，封装的管脚数为16（TSSOP16）至64（QFP64）。为降低系统成本，XC800系列还集成了晶振、稳压器、EEPROM和监控电路等特性。不同的闪存尺寸、可扩展的外设和FOC等创新特性，使得能够轻松选择所需的产品，满足专业应用的需求。XC800系列还具备功能强大的外设，这使得其成为各种电机控制和功率转换应用的理想之选。这些外设包括一个可灵活生成PWM的捕获/比较单元（CCU6）和一个用于实现精确测量并与PWM实现硬件同步的增强型快速模数转换器（ADC）。此外，某些型号产品还搭载了一个支持FOC的16位矢量计算机。这是业内首款采用16位矢量计算机的8位微控制器。采用这种矢量计算机，执行FOC功能时，只需占用CPU约一半的处理性能，这在整个业界也是独一无二的。

图3：适用于广泛的电机控制和功率转换应用的可扩展微控制器产品组合。

FOC功能（在XC886/888、XC878和即将面世的XC83x产品中采用）将高性能8051内核与一个矢量计算机协处理器内核结合使用，执行16位算数运算。这种可完全编程的矢量计算机搭载两个并联的计算单元：一个16位乘除单元（MDU）和一个适用于矢量旋转和角度计算的16位协处理器CORDIC。这种矢量计算机基于中断的运算，可降低CPU负载。与竞争对手多数采用硬编码的FOC技术不同，基于XC800微控制器的解决方案具备软件再编程特性，为可开发人员带来更多应用选择。

低功耗与低成本

得益于不足0.40欧元（10万枚订购量）的低成本，XC82x 和 XC83x微控制器可确保以极其经济划算的方式，实现节能控制理念。XC82x集成了一个MDU和一个快速ADC，以提供快速PWM单元，和霍尔传感器一起实现正弦换相。此外，XC83x（图4）集成了一个增强型矢量计算机（MDU和CORDIC），提供全硬件支持FOC功能。

图4：采用全新增强型外设的XC83x系列的框图。

对于无刷直流电机或永磁同步电机的无传感器FOC等优化电控控制而言，可获得可配置的参考代码（PWM频率、电机参数和电流测量标度），并具备如下特性：16位算法、搭载24位数据存储器的抗饱和PI控制器、32位分辨率通量计算和低于150微秒的快速控制环路计算。

下列要求是确保照明应用（如LED电流控制或HID功率控制和点火）和电磁炉（准谐振控制）实现功率转换的关键：高分辨率PWM、快速ADC测量、自主式外设及适用于控制回路并具备保护功能的比较器。

为满足这些需求，XC82x/XC83x微控制器具备一个时钟频率为48MHz的捕获比较单元（CCU6）和一个快速16MHz ADC。这个ADC的采样时间仅为125ns，转换时间约为820ns。在设计中，ADC与CCU6直接通过硬件连接（图5），可确保有力的PWM控制。集成的ADC限值检验器还具备8位数字比较器的功能。此外，采用了一个ADC“超量程（out of range）”比较器。

图5：ADC与CAPCOM6单元的直接硬件连接可确保实现强大的PWM控制。

这些全新的微控制器经过优化，采用具备较少管脚的封装（图6），可降低占板空间和成本。支持低管脚数的特性包括：一个集成的晶振（48MHz）、集成的ADC参考电压（1.25V）、双向端口结构（一个管脚用于实现半双工连接），只有3个专用电源管脚（VDDC、VDDP、VSSP）、通过单管脚DAP实现的OCDS调试支持和启动模式的非易失性配置。

图6：全新的XC82x/XC83x器件经过优化，具备较少的管脚。

此外，全新的低成本XC82x和 XC83x系列还具备几个全新的特性，以提供额外价值，包括容式触控感应和 LED矩阵控制器、搭载32kHz 和 75kHz晶振的RTC以及直接驱动步进计量装置的大电流焊盘。

适用于高能效产品设计

要想使创新的电机控制概念得到高效的部署和应用，需要采用优化的微控制器架构和易用工具。英飞凌不仅提供可扩展的强大微控制器，而且提供带有相关工具链的完整解决方案。此外，英飞凌还提供广泛的应用套件。这些应用套件可简化适用于高效电机驱动的硬件和软件解决方案的评估与部署。提供的应用套件和工具链支持在微控制器上快速部署全新的电机控制技术。提供的适用于电机驱动产品的全套参考系统，支持从阻塞换相到FOC的所有算法。

所有应用套件都包含一个免费的工具链（编译器、实时调试环境等）和即插即用的设计，因为它具备所有相关的硬件和软件部件。提供的完整解决方案包含微控制器、功率半导体和无源组件。硬件设计范例等补充性资料也包含在应用套件中。

这些应用套件可与适用于电机驱动的独特的自动代码生成器DAvE Drive结合使用。DAvE Drive是一种适用于英飞凌8位微控制器系列的应用代码生成器。由于可轻松、快速地配置FOC等复杂控制算法，它有助于缩短电机驱动的软件开发周期。电机控制装置设计者可集中精力快速开发具体应用软件，例如驱动功能的编程。DAvE Drive软件工具生成基于源代码的完整算法，不是来自于预编译库。它还能对具体客户电机实施快速调整。电机类型可从库中选择，或者通过设置标准电压、相电感或电阻等主要特性，确定电机类型。采用DAvE Drive，可轻松调整速度和电流控制等参数。

本文小结

对更高效的电机驱动和功率转换解决方案的需求，导致对相关微控制器需求的增大。英飞凌XC800微控制器家族具备适用于不同电机控制方法的可扩展解决方案。这些电机控制方法包括，适用于搭载霍尔传感器或无传感器的无刷直流电机的阻塞换相、适用于无刷直流电机或永磁同步电机的FOC，以及FOC与PFC（功率因数控制）的结合应用。适用于照明产品和电磁炉的参考代码和应用套件目前尚在开发当中。