幾種創(chuàng)新方法簡化電機(jī)控制設(shè)計(jì) [日期：2005-12-19] 來源：單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者：Peyman Hadizad , Rex Allison [字體：控制器應(yīng)運(yùn)而生。此類微控制器典型地整合了8位計(jì)算引擎、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、比較器、計(jì)算器、計(jì)時(shí)器以及其他電路，便于變換電流方向并根據(jù)無刷直流電機(jī)負(fù)載的功率要求調(diào)整電機(jī)的速度。盡管這些整合性的電機(jī)控制器芯片使得許多應(yīng)用產(chǎn)品的成本降低，特定方案所需的其他部件的數(shù)量依然變化很大，而這取決于電機(jī)控制應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)中將考慮采用何種控制器。

　　ZiLOG推出了帶有閃存的8位微控制器--Z8 Encore! MC系列，專門針對無位置傳感器三相無刷直流和三相交流感應(yīng)電機(jī)控制產(chǎn)品。Z8 Encore! MC 提供 16KB 閃存 (Z8FMC16100)、8KB 閃存 (Z8FMC08100) 或 4KB 閃存 (Z8FMC04100) 等存儲選擇，還提供一系列廣泛的片上功能，可減少對外圍部件的需求，并為電機(jī)控制應(yīng)用產(chǎn)品顯著降低原料成本。Z8 Encore! MC 系列器件能夠提供更加精確地控制電機(jī)速度的方法，并且有效地將無刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)進(jìn)行簡化，同時(shí)提供眾多先進(jìn)和可定制的終端產(chǎn)品功能。

　　用于控制速度的"時(shí)戳"
　　閉合回路系統(tǒng)中的大多數(shù)控制器采用至少一個(gè)專門的比較儀，來探測反電動(dòng)勢信號的零交叉點(diǎn)，從而使輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖得以調(diào)整，以便適當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。通過采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器取代比較儀與計(jì)時(shí)器的共用，基于 ZiLOG 的 Z8 Encore! MC 電機(jī)控制 MCU 系列的實(shí)現(xiàn)方法取消了對比較儀的需求。在這種情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過在后臺運(yùn)行計(jì)時(shí)器而對反電動(dòng)勢電壓進(jìn)行取樣。

　　一旦模數(shù)轉(zhuǎn)換器對反電動(dòng)勢零交叉點(diǎn)進(jìn)行取樣，計(jì)時(shí)器就會讀數(shù)。讀出的數(shù)據(jù)記錄在寄存器中，并反過來提示計(jì)時(shí)器輸出 PWM 脈沖，以便有效地調(diào)整電機(jī)速度。這種"時(shí)戳"方法形成了用于閉合回路速度控制的更簡單、更具成本效益的系統(tǒng)。

　　故障反應(yīng)
　　在無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備中，不同原因都可導(dǎo)致電流過大的故障，除非安全設(shè)施設(shè)計(jì)十分完善，否則這些故障有時(shí)會帶來破壞性影響。電機(jī)繞組短路、電機(jī)引線的短路、機(jī)械驅(qū)動(dòng)和聯(lián)接問題、轉(zhuǎn)子卡殼、電力設(shè)備拋錨或熄火以及其它很多問題都可能發(fā)生。其中一些問題是永久性的，另一些則只是臨時(shí)性的。任何問題引起的電流過大狀況都一定會導(dǎo)致電機(jī)中止。保護(hù)電路必須迅速反應(yīng)，但并不是要在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)全面觸發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)閉，而應(yīng)實(shí)行 PWM 輸出的實(shí)時(shí)停止，直到不再發(fā)現(xiàn)故障情況才恢復(fù)正常運(yùn)行。在這種情況下，如果持續(xù)存在電流過大的狀況，才需要全面關(guān)閉系統(tǒng)。

　　為檢測電流過大的情況，電機(jī)控制微控制器整合了輸入元件（如比較儀）。在大部分情況下，電流信號是發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的。由于在輸出阻止 PWM 信號之前，數(shù)據(jù)處理需要一些時(shí)間，這種方法有一個(gè)較大的缺點(diǎn)。反過來說，最終的數(shù)據(jù)處理反應(yīng)時(shí)間可能會在下一輪轉(zhuǎn)換周期之后延遲關(guān)閉系統(tǒng)，從而造成嚴(yán)重的損壞。

　　為避免因模數(shù)轉(zhuǎn)換器造成的處理延遲，PWM 模塊直接與一個(gè)電流過大比較儀連接，從而保證系統(tǒng)關(guān)閉能真正以實(shí)時(shí)模式實(shí)現(xiàn)。這種方法不僅改善控制器的故障感應(yīng)能力，同時(shí)規(guī)避了傳統(tǒng)方法的一個(gè)弱點(diǎn)。即，如果控制器時(shí)鐘即將停止工作，此時(shí)為應(yīng)對電流過大故障而關(guān)閉系統(tǒng)不會帶來危險(xiǎn)，但如果牽涉到系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器就會有危險(xiǎn)。

　　感應(yīng)配置減小了對時(shí)間的依賴性
　　設(shè)備控制器幾乎總是依靠經(jīng)由繞組感應(yīng)電流，使用傳感器和無位置傳感器技術(shù)，而與模數(shù)轉(zhuǎn)換器協(xié)力來監(jiān)控電機(jī)的速度。一般情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器所取的樣本與 MCU 所取樣本同步。

　　在此過程中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對產(chǎn)生的信號取樣并將結(jié)果傳送給處理器。而處理器則將綜合 PWM 的換流輸出以控制電機(jī)速度。

圖注：ZiLOG 電機(jī)微控制器整合了設(shè)備中驅(qū)動(dòng)多相電機(jī)和單相電機(jī)所需的所有邏輯和輸入/輸出功能

　　感應(yīng)、處理和調(diào)節(jié)電機(jī)速度的更好方法仍然存在，在提供異步操作的同時(shí)，使數(shù)據(jù)處理費(fèi)用降至最低。在這種配置中，通過在片上集成運(yùn)算放大器和一個(gè)取樣與控制模塊，用來當(dāng)作"保持"時(shí)間的周期間輸入信號值，這樣取樣結(jié)果就可用于優(yōu)化中央處理器的處理周期，而且不要求正好與輸入信號同步。此外，ZiLOG Z8 Encore! MC 微控制器對運(yùn)算放大器的片上整合降低了總體的系統(tǒng)成本。該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了電機(jī)控制8位微控制器的高效和強(qiáng)大的特性，即擁有足夠的成本運(yùn)行應(yīng)用產(chǎn)品的多種具體功能--例如控制顯示、指揮和監(jiān)控設(shè)備程序、探測并標(biāo)明服務(wù)問題--與此同時(shí)也不斷保持電機(jī)能耗的最佳值。