白色家电的MCU解决方案紧盯低功率，安全

　　在过去的10年里，洗衣机、电冰箱、洗碗机等白色家电的设计正朝着积极的方向发展。尽管性能指标如如何清洁?有多快?有多冷?它们仍然是重要的，它们被设计目标加入，目标是能效，安全，以及更高端的模型，互联网连接。

　　欧盟,美国许多发达国家已经制定了节能标准，以推动洗衣机的平均使用，例如每年减少到150千瓦时。每个子系统都能在减少能源消耗方面发挥作用，但是MCUs的关键任务是执行优化电机能量使用的复杂的电机控制算法。

　　自动化的可编程性——例如，在洗衣机、烘干机和洗碗机中使用预先设置的设备——使得实现节能目标变得更加复杂。为了在优化能源使用的同时为顾客提供方便，设计师们正在使用传感器来测量负荷和水温的大小。

　　虽然每个设计师都在考虑能源消耗，但世界各地的监管机构也发布了白色家电的质量和安全标准。IEC/UL 60730为硬件和软件设定标准，以保护用户免受伤害和机器本身的损坏。

　　通信能力也变得越来越重要，因为第一步是与智能表通信的能力。对设备的Internet访问也是一个考虑因素，这在逻辑上导致了更大的安全性。

　　无刷直流电机控制

　　积极的节能目标推动了从内置位置传感器到无传感器无刷直流(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)电动机的移动。控制BLDC电动机需要一些设计复杂性。PMSM控制更加复杂和计算密集型。它通常用于高档电器和工业马达控制。

　　ac驱动的BLDC电机具有固定在转子上的永磁体和定子上的绕组。磁体产生转子磁通;带电的定子绕组产生电磁场。通过激励定子阶段(例如,一个120°三相功率的矩形波),创建一个在定子旋转磁场。

　　转子与旋转场之间的空间关系必须严格控制，以产生转矩。这种同步需要了解转子位置。在转子上的更大的极点通常为相同的电流创造更多的扭矩，但如果磁体之间的空间减少太多，这种优势最终会消失。

　　MCU供应商提供了广泛的软件开发支持，使单片机能够在转子静止时感知转子位置，并且在高速旋转时也可以。使用BLDC控制的无传感器电机的变化也需要特定的硬件，无论是作为汽车控制卡上的一个设备，还是集成到MCU本身。该硬件包括:快速三相脉冲宽度调制(PWM)输出定时器;专用高速比较器，用于超电流检测和转子位置检测;D / a转换器;可编程增益放大器(PGA)和可变放大因数;和快速的运算放大器。

　　PGA应该有很高的转化率。它还需要支持一个软件可选择的、可变的放大系数。当PGA集成在芯片上时，需要对外部放大器进行电压检测或过电流检测。

　　双通道高速比较器通常利用PGA输出作为输入信号在一个信道中，从而实现对BLDC逆变器电路的过电流检测。另一个比较器通道允许用户选择任何正输入和负输入的组合，以实现转子位置检测和管理电机的反电动势信号。

　　许多MCU供应商，包括德州仪器、STMicroelectronics、NXP/Freescale、Microchip和Renesas提供BLDC硬件/软件产品。例如，Renesas将其16位，24 MHz RL78/G1G MCU家族定位于BLDC。所有成员都集成了一个三相PWM定时器，一个双通道比较器，一个8位的D/ a转换器，和一个能够进行软件控制放大的PGA。

　　典型的Renesas RL78/G1G设备是R5F11EFAAFP#30。另外，RL78/G1G MCU家庭也有YR0K5011EFS000BE初学者工具包。核心RL78/G1G函数的框图如图1所示。

　　Renesas RL78/G1F家庭图。

　　图1:Renesas RL78/G1F家族被设计用于支持BLDC电机。(由凯利讯半导体)

　　Renesas最近推出了RL78/G1F系列，它集成了更多的功能，提供了更高的时钟频率和芯片内存。

　　永磁同步电动机控制

　　BLDC和永磁同步电机都是在转子上使用永磁体和定子绕组。它们主要在驱动信号上有不同，即逆变器提供给电动机:BLDC电机是由矩形(或在某些情况下梯形)波形控制的，PMSMs电动机由正弦波形控制，以匹配每个电机绕组的反电动势波形。

　　用于控制永磁同步电机的磁场定向控制(FOC)技术需要比矩形和梯形控制系统更大的计算能力。这意味着更高的MCU时钟频率，32位的架构，多的adc，更多的芯片上的软件库，以及更多的设备上的引脚。

　　提供BLDC硬件/软件产品的供应商也提供PMSM包。例如，Renesas已经将其100 MHz RX62T和RX63T家庭定位为PMSM应用程序。基于Renesas专有的32位RX核心，他们集成了多功能计时器，一个高速12位的a /D转换器，以及一个10位的a /D转换器和其他外围设备。一个高性能的设备是R5F563TEDDFB#V0，有512 mbit的闪存和144个大头针。另外，r0k50563ts000是RX63T家族的入门套件。

　　STMicroelectronics是另一家拥有多个MCU家庭的BLDC和PMSM控制的供应商。那些有能力的PMSM控制和基于公司的STM32架构和ARM有限公司的32位的Cortex-M0, M3和M4核心。一个典型的中程产品是72 MHz, STM32F303VCT7。PMSM应用中使用STM32F303 MCUs的评估工具是STEVAL-IHM042V1。

　　由于所有MCU供应商的PMSM解决方案的一个组成部分是他们提供的应用软件和FOC软件库，因此有必要简要描述一下STMicro的开发工具的特性，这些工具被组装成硬件/软件工具包。其他供应商也提供类似的产品。

　　使用STMicro的开发工具包，开发人员可以使用该工具包中包含的LCD和操纵杆来熟悉设计过程。图2显示了组件。在可微调或改变的参数中，用于控制永磁同步电机的参数如下:

　　实时调谐力矩、流量和速度pid。

　　反emf观察者增益调优(用于无传感器控制)

　　目标速度(速度控制)或目标转矩和流量的变化(扭矩控制)

　　母线电压和功率级温度监测。

　　选择变量以输出DAC功能实现。

　　STMicroelectronics“STM32F303 MCUs”的马达控制组件图像。

　　图2:STM32F303 MCUs的STMicro电动控制组件。凯利讯半导体(礼貌)

　　该软件在STMicro的电机控制组件可以同时处理PMSM和感应电动机。一个重要的加法是矢量控制库。它与IAR, Keil和Green Hills工具链兼容。根据要求，源文件是免费的，包括:

　　三个电流敏感方法选项

　　孤立的

　　三个并联电阻器，具有双采样-保持利用。

　　专有算法的单分流电阻。

　　三个rote-position反馈选项

　　转速表(只适用于感应电机)

　　霍尔传感器(60°、120°的位置

　　无传感器永磁同步电动机(马达)

　　船在无传感器模式的执行时间STM32 F1系列永磁同步电动机马达小于21µs(小于10µs STM F4单片机)。10khz采样时间的总CPU负载小于25%，代码大小小于14 Kbytes。

　　安全要求

　　除了能源效率外，标准和监管机构也公布了白色家电的质量和安全标准。例如，IEC/UL 60730为硬件和软件设定了标准，以保护用户免受伤害和机器的损坏。具体来说，IEC/UL 60730详细的测试和诊断方法，以确保设备的嵌入式控制硬件和软件的操作是安全的。

　　白色货物受iec60730类B的遵从，它有两个简单的组成部分:防止控制设备不安全操作的能力;而且，软件中包含了用于防止在设备中出现故障的代码。

　　在运行过程中，MCU必须执行特定的软件测试，并在运行过程中定期执行，以确保系统按设计运行。这些包括CPU和RAM测试;罗/ flash测试;时钟测试和外围测试。图3标识了MCU硬件子系统或功能，以及该子系统中的故障类型，该子系统必须识别并纠正IEC/UL 60670的遵从性。

　　IEC/UL 60670合规指南图像。

　　图3:为了实现IEC 60730的一致性，测试必须在一个设备的MCU或控制模块中验证8个硬件子系统的正确操作。(由IEC)

　　ROM/Flash测试基于循环冗余校验(CRC)，它识别所有的单位错误和大多数的多位错误。用于校验和的CRC值可以在使用查找表或移位的软件中计算;查找表需要更多的代码空间，但CPU周期更少。包括Renesas在内的一些公司为MCUs提供了一个专用的CRC计算电路，可以在两个机器周期内为一个字节的数据生成CRC值。

　　尽管在软件中使用低级软件测试例程进行测试，但在许多情况下，如果将附加的外围设备集成到MCU中，测试就会成功。最重要的外围设备包括:

　　错误校正码(ECC)闪光。

　　亡灵计时器(DMT)

　　窗口的看门狗定时器(WWDT)

　　备份系统振荡器

　　WWDT是关键的，因为它保证了MCU控制算法的正确执行。对于b类产品，WWDT必须满足四个要求: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，它必须实现基于硬件的复位;并且，必须为在初始化和/或硬件重置之后获得安全的I/O状态作出规定。

　　所有主要的MCU供应商都提供IEC 60730解决方案。

　　微芯片技术已经加入了16位dsPIC33EV数字信号控制器(DSCs)，这是该公司dsPIC33EV家族的一部分。“EV”家庭是第一个带有错误校正码(ECC) Flash的dsPIC33 DSC，提高了可靠性和安全性。

　　这个新家庭提供了5个V的操作，以提高对电器和汽车应用所遇到的环境的噪音免疫力和鲁棒性。对于安全关键的应用程序，dsPIC33EV设备还包括CRC、Deadman定时器(DMT)、窗口监视计时器(WWDT)外围设备以及备份系统振荡器和认证的类b软件。

　　dsPIC33EV系列中的设备有28个SOIC、28个QFN、28个SPDIP、44个TQFP、44个QFN、64个TQFP和64个QFN包，其中闪存的内存从64kb到256kb不等，其中包括有和没有CAN的选项。DS的一个典型部件包括6个电机控制PWMs、12位ADC和运算放大器。

　　结论

　　由于国家和地方政府机构(如欧盟)授权的能源和安全目标，白色商品的设计变得更加复杂。实现这些目标导致了使用BLDC和PMSM马达的无传感器电机控制设计的迁移。软件开发工具和库与MCU的外围集成一样重要。供应商开发了多种解决方案，包括16位和32位MCUs。有时DSP的能力也被包括在更快的算法执行中。