NEC 8位MCU降低180度马达设计门槛点拨
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
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：
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
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
iii nec的电机控制方案
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：
?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
?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
?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、
?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统，世强电讯可以帮助用户设定参数，产品软件调试等。
超粗糙铜表面技术的详细介绍
济南祥控自动化设备有限公司被认定为2023年山东省瞪羚企业
为系统测量和保护选择温度传感器
亿铸科技荣登2023年度中国AI芯片企业新锐企业榜TOP10
化工自动化仪表安装过程中的注意事项
NEC 8位MCU降低180度马达设计门槛点拨
2021有哪些值得入手的蓝牙耳机，平价高性价比蓝牙耳机推荐！
DPU国产生态版图又双叒扩大了！
基于互联网的云安全服务需满足一定的基础条件
表面终端金刚石场效应晶体管的研究
华硕zenfone3灵智评测 几分欢喜几分忧
XRD、TEM、AFM表征粒径的方式及异同
西门子与Geisinger建立了十年的合作伙伴关系
华为余承东透露手机业务超越三星/苹果策略
8口IP远程KVM切换器的性能优越，拥有更广泛的应用
食用油酸价快速检测仪的功能介绍
基于AL101单片机控制的网络交换机的设计
LG开放webOS电视平台，现有13亿台联网电视设备正在使用
应用每隔一段时间都会发布一个新版本，小米5C应用自动升级教程
虚拟现实技术可以对安全性和管理复杂任务产生重大影响
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：
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
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
iii nec的电机控制方案
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：
?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
?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
?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、
?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统，世强电讯可以帮助用户设定参数，产品软件调试等。
超粗糙铜表面技术的详细介绍
济南祥控自动化设备有限公司被认定为2023年山东省瞪羚企业
为系统测量和保护选择温度传感器
亿铸科技荣登2023年度中国AI芯片企业新锐企业榜TOP10
化工自动化仪表安装过程中的注意事项
NEC 8位MCU降低180度马达设计门槛点拨
2021有哪些值得入手的蓝牙耳机，平价高性价比蓝牙耳机推荐！
DPU国产生态版图又双叒扩大了！
基于互联网的云安全服务需满足一定的基础条件
表面终端金刚石场效应晶体管的研究
华硕zenfone3灵智评测 几分欢喜几分忧
XRD、TEM、AFM表征粒径的方式及异同
西门子与Geisinger建立了十年的合作伙伴关系
华为余承东透露手机业务超越三星/苹果策略
8口IP远程KVM切换器的性能优越，拥有更广泛的应用
食用油酸价快速检测仪的功能介绍
基于AL101单片机控制的网络交换机的设计
LG开放webOS电视平台，现有13亿台联网电视设备正在使用
应用每隔一段时间都会发布一个新版本，小米5C应用自动升级教程
虚拟现实技术可以对安全性和管理复杂任务产生重大影响