推动电机控制发展的力量与不断进步的单片机技术

全球温度正呈现上升的趋势，更加有效地利用能源成为当务之急。降低能耗的主要对象之一是电机。据粗略统计，电机消耗了美国一半以上的能量。在家庭中使用的电机数量一般不下50台，一部汽车里通常有70至80台电机，至于在工业领域，工厂自动化中应用的电机更加比比皆是。当前，单片机（MCU）技术取得的进步能够比以往任何时候都更加有效地控制电机，而成本却更低。这种进步对市场的影响一方面加速了从机电控制到电子式控制的转变，另一方面可以实现电机的变速控制，优化电机的运行。而且，对整个市场而言，降低了元器件的整体成本。单片机控制的无刷直流电机与电机控制中经常使用的有刷电机不同，单片机控制的无刷直流（BLDC）电机不存在电刷磨损和电弧，因而电机的使用寿命实质上只受到轴承寿命的影响。此外，单片机控制的无刷直流电机系统的优越性还包括：1． 更高的效率2． 转矩-惯性比高3． 能达到更高的速度4． 听得见的噪声更低5． 更高的热效率6． 更低的电磁干扰大量专门针对电机控制应用而设计的8位单片机在解决数字电机控制问题上是成本效益最高的方法之一。但在过去，集成的程度和可供选择的产品一直有限。而现在，单片机性能高达10MIPS，具备的运动控制专用硬件包括中心对齐的14位脉宽调制器（PWM）、运动反馈模块和高速模数转换器（ADC），使以往需要较昂贵处理器的应用可以采用成本较低的8位单片机来实现。某些单片机，如PIC18F4431，在进行三相PWM控制时，可用硬件实现对无刷直流电机所有三个相的驱动，从而最大限度地降低了软件的开发和调试工作量。该单片机最多有8个PWM通道，而一般只需6个通道即可驱动三相电机。因此，可以用另外两个通道来实现其它功能，无需再添加其它元器件。带有正交编码器接口的运动反馈模块是单片机的一个组成部分，可减少元器件数目，降低系统成本。不仅如此，带有一个运行速度高达200 ksps的高速ADC的单片机，可以为闭环控制提供必要的速度。在两个不同的通道上同时采样，可以实现同时对电压和电流进行采样。在闭环电机控制中，需要这种高速的转换进行反电动势的测量。ADC可在上升沿或下降沿保持与PWM同步，使开关噪声降至最低。综上所述，有了这些模块就不需要任何外部的电机控制器件，如高速ADC和位置编码器了。在很多电机控制应用中，故障防护操作是关键。带有故障防护时钟监控器（其中内部RC振荡器在晶振失效时可以充当备份时钟）的单片机使设计人员得以利用可提供高可靠性的数字控制。只需利用PWM上的可编程死区时间延迟，即可最大限度地减小开关噪声，同时还可以按时完成设计，将新产品投放市场；否则就需要额外增加几周的开发时间，由此带来的差别显而易见。在各种情况下，具有高可靠性闪存的单片机，灵活性都很强，不仅可以让产品按时上市，而且在电机安装前或已经投入使用后，都可以根据变化的要求进行调整。

本文引用地址：不同的需求、推动力和解决方案家用电器、工业和汽车这三大市场中对于电子电机控制的需要，证明具有先进的电机控制外设的单片机是大有市场的。在家用电器市场领域，为了符合政府推行的计划标准，如美国环保局旨在促进使用高效率家电的能源之星计划，需要改进电机控制。洗衣机就是迫切需要改进电机控制的一类产品。直接驱动洗衣机可以不再需要电机轴与滚筒之间的连接皮带，同时还可设置各种速度范围和使用不同形状的滚筒。某洗衣机厂商对洗衣机进行了全新的设计，结果比传统的洗衣机的耗电量减少了38%， 用水量减少了17%。电机控制的单片机可根据衣物的数量和类别调整电机的功率。但是，洗衣机的购买者对于购买价格仍然十分在意，因此厂商必须不断降低其开发和生产成本，才能为更广大的消费者群体提供更先进而负担得起的洗衣机。在家用电器中，专门为低成本电机控制应用而设计的8位单片机集成了各种功能，大大减少了额外元器件的需求。最新单片机具备片上电机PWM、故障防护时钟监控器以及高度可靠的闪存，使家用电器中电机控制的设计得以简化，并满足降低成本的目标。图1 8位单片机驱动洗衣机中三相ACIM变频驱动器的例子。在工业应用领域，装配线运行的用电成本与故障停机都将使利润减少。我们用工业用泵中基于单片机的变速驱动（VSD）系统取代阀门为例，来说明改进控制能力将如何直接影响效率和利润。对于泵和风扇而言，其功耗与转轴速度的立方根成正比。当转轴速度降低10%时，气流也减小10%，但能耗减少27%！如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工业应用的离心泵、风扇和鼓风机中，通过使用单片机进行变速电机控制，取代速度恒定的电机和利用阀门减小气流的方法，可以节能25%至40%，这已得到了证明。用单片机进行电机控制在工业应用中的收效十分明显。因此，究竟是否采用单片机驱动的变速电机控制只需由其它一些因素来决定，如灵活性和可靠性等可避免故障的因素。具有闪存和EEPROM存储器的单片机可实现VSD电机控制，对于需要进行升级或改善控制程序等变化，其再编程能力可满足工业用户所需的灵活性。Microchip的PIC18F2431或PIC18F4431等单片机具有16KB闪存和256字节EEPROM，这些8位单片机的存储器足以应对工业环境中各种必要的变动。与之同等重要的是Microchip的闪存采用PMOS电可擦除单元（PEEC）工艺技术，其数据存储单元的耐用性超过100万次擦/写周期（典型值），而数据保存期超过40年。在汽车应用中使用电机进行通风、开关门窗以及移动座椅等已得到了广泛应用。这些不经常使用的操作尚能容忍较低的效率，但是一些经常使用的设备如乘客空调、发动机箱内风扇等，则连续不断地消耗着汽车中有限的能量。电机控制单片机可以使空调风扇以恰当的速度运转来保持适宜的温度，从而降低噪声和功耗。在很多情况下，用于电机控制的单片机必须利用控制器局域网络（CAN）或局部互联网络（LIN）协议连接到汽车网络。现在的车身电子设备一般采用成本较低的LIN协议以降低总系统成本。有些单片机系列具备增强型USART模块，它支持LIN 1.2，同时还提供起始位的自动唤醒功能以及自动波特率检测。

更加高效的未来随着控制算法在各个市场领域中复杂程度的不断提高，数字电机控制器的处理能力需要从单片机的性能水平提升到数字信号处理器（DSP）的性能水平。数字信号控制器（DSC）性能更高而价格适中，采用设计人员熟悉的单片机技术，适用于更加复杂的电机控制设计，包括矢量控制设计。DSC的运行速度高达30MIPS，并具有高达144KB的闪存和电机控制专用的集成外设，可实现先进的新型电机控制应用。有了基于单片机和DSC的电子电机控制，家用电器、工业控制及汽车不仅运行效率更高、功能更丰富，而价格也适中。

28 聚合函数 MIN、MAX

14 Python 标准库之 os 模块

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