過(guò)去10年來(lái)，洗衣機(jī)，冰箱和洗碗機(jī)等白色家電的設(shè)計(jì)已經(jīng)朝著積極的新方向發(fā)展。雖然性能指標(biāo)如干凈？多快？多冷？仍然很重要的是，他們加入了旨在提高能源效率，安全性以及高端模型互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

歐盟，美國(guó)和許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)規(guī)定了能源 - 例如，將洗衣機(jī)的平均使用率降低到每年約150kWh的效率標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)子系統(tǒng)都在最小化能耗方面發(fā)揮作用，但MCU的關(guān)鍵任務(wù)是執(zhí)行復(fù)雜的電機(jī)控制算法，以?xún)?yōu)化電機(jī)的能耗。

自動(dòng)可編程性 - 例如在洗衣機(jī)，烘干機(jī)和洗碗機(jī)上使用預(yù)設(shè) - 使得節(jié)能目標(biāo)變得更加復(fù)雜。為了在優(yōu)化能源使用的同時(shí)為客戶(hù)提供便利，設(shè)計(jì)人員正在使用傳感器來(lái)測(cè)量負(fù)載和水溫的大小。

雖然能源消耗在每個(gè)設(shè)計(jì)師的心中，但世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也已經(jīng)頒布了白色家電的質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)。 IEC/UL 60730設(shè)定了硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)用戶(hù)免受傷害和機(jī)器本身免受損壞。

通信能力也變得越來(lái)越重要，第一步是與智能電表通信的能力?；ヂ?lián)網(wǎng)接入設(shè)備也是一個(gè)考慮因素，邏輯上可以帶來(lái)更高的安全性。

BLDC電機(jī)控制

積極的能效目標(biāo)正在推動(dòng)從內(nèi)置位置的電機(jī)遷移無(wú)傳感器無(wú)刷直流（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）電機(jī)的傳感器?？刂艬LDC電機(jī)需要一些設(shè)計(jì)復(fù)雜性。 PMSM控制更復(fù)雜，計(jì)算密集。它通常用于高端電器和工業(yè)電機(jī)控制。

交流供電的無(wú)刷直流電機(jī)的永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，繞組固定在定子上。磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通;通電的定子繞組產(chǎn)生電磁極。通過(guò)激勵(lì)定子相（例如，用于三相電源的120°矩形波），產(chǎn)生定子上的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。

必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的空間關(guān)系以產(chǎn)生扭矩。這種同步需要知道轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)子上的較大數(shù)量的磁極通常為相同的電流產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，但是如果磁體之間的空間減小太多，則這種優(yōu)勢(shì)最終會(huì)消失。

MCU供應(yīng)商提供廣泛的軟件開(kāi)發(fā)支持，使MCU可以在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)以及高轉(zhuǎn)速下檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。使用BLDC控制轉(zhuǎn)換為無(wú)傳感器電機(jī)也需要特定的硬件，既可以作為電機(jī)控制卡上的設(shè)備，也可以集成到MCU本身。該硬件包括：快速三相脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出定時(shí)器;專(zhuān)用的高速比較器，用于過(guò)流檢測(cè)和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè);一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器;可編程增益放大器（PGA）和可變放大因子;和快速運(yùn)算放大器。

PGA應(yīng)具有高壓擺率。還希望它支持軟件可選的可變放大因子。當(dāng)PGA集成在芯片上時(shí)，消除了對(duì)用于電壓檢測(cè)或過(guò)電流檢測(cè)的外部放大器的需求。

雙通道高速比較器通常在一個(gè)通道中使用PGA輸出作為輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)BLDC逆變器電路的過(guò)流檢測(cè)。另一個(gè)比較器通道允許用戶(hù)選擇正負(fù)輸入的任意組合，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)并管理電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。

許多MCU供應(yīng)商，包括德州儀器，意法半導(dǎo)體，恩智浦/飛思卡爾，Microchip和瑞薩都提供BLDC硬件/軟件產(chǎn)品。例如，瑞薩已將其16位，24 MHz RL78/G1G MCU系列用于BLDC。所有成員都集成了一個(gè)三相PWM定時(shí)器，一個(gè)雙通道比較器，一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)能夠進(jìn)行軟件控制放大的PGA。

典型的瑞薩RL78/G1G器件是R5F11EFAAFP＃30。另外還提供用于RL78/G1G MCU系列的YR0K5011EFS000BE入門(mén)套件。核心RL78/G1G功能的框圖如圖1所示。

圖1：瑞薩RL78/G1F系列設(shè)計(jì)用于支持BLDC電機(jī)。 （瑞薩半導(dǎo)體公司提供）

瑞薩最近推出了RL78/G1F系列，集成了更多功能，提供更高的時(shí)鐘速率和片上存儲(chǔ)器。

PMSM控制

< p> BLDC和PMSM電機(jī)都是使用轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的繞組構(gòu)建的。它們主要區(qū)別在于逆變器為電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)：BLDC電機(jī)采用矩形（或某些情況下為梯形）波形控制，PMSM電機(jī)由正弦波形控制，以匹配每個(gè)電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形。

用于控制PMSM電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制（FOC）技術(shù)比BLDC的矩形和梯形控制方案需要更多的計(jì)算能力。這意味著更高的MCU時(shí)鐘速率，32位架構(gòu)，多個(gè)ADC，軟件庫(kù)的更多片上ROM以及器件上的更多引腳。

提供BLDC硬件/軟件產(chǎn)品的相同供應(yīng)商也提供PMSM軟件包。例如，瑞薩已將其100 MHz RX62T和RX63T系列用于PMSM應(yīng)用。它們基于瑞薩專(zhuān)有的32位RX內(nèi)核，集成了多功能定時(shí)器，高速12位A/D轉(zhuǎn)換器和10位A/D轉(zhuǎn)換器以及其他外設(shè)。更高性能的器件是R5F563TEDDFB＃V0，具有512 Mbits的閃存和144個(gè)引腳。另外還有用于RX63T系列的R0K50563TS000BE入門(mén)套件。

STMicroelectronics是另一家擁有多個(gè)MCU系列的供應(yīng)商，用于BLDC和PMSM控制。那些能夠進(jìn)行PMSM控制并基于該公司的STM32架構(gòu)和ARM Ltd.的32位Cortex-M0，M3和M4內(nèi)核的產(chǎn)品。典型的中檔產(chǎn)品是72 MHz，STM32F303VCT7。 PMSM應(yīng)用中使用的STM32F303 MCU評(píng)估套件是STEVAL-IHM042V1。

由于所有MCU供應(yīng)商的PMSM解決方案的一個(gè)組成部分是它們提供的應(yīng)用軟件和FOC軟件庫(kù)，因此值得簡(jiǎn)要介紹STMicro開(kāi)發(fā)工具的功能，這些工具組裝成硬件/軟件包。其他供應(yīng)商提供類(lèi)似的產(chǎn)品。

使用STMicro的開(kāi)發(fā)人員套件，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)使用LCD和套件中包含的操縱桿進(jìn)行演示，熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程。圖2顯示了套件組件?？梢晕⒄{(diào)或改變?nèi)缓笥糜诳刂芇MSM電機(jī)的參數(shù)包括：

扭矩，通量和速度PID的實(shí)時(shí)調(diào)整

反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器增益調(diào)整（無(wú)傳感器控制）

目標(biāo)速度的變化（速度控制）

總線電壓和功率級(jí)溫度監(jiān)控

為DAC功能實(shí)現(xiàn)輸出的變量選擇

圖2：STMicro用于STM32F303 MCU的電機(jī)控制套件。 （由STMicroelectronics提供）

STMicro電機(jī)控制套件中的軟件可以處理PMSM和感應(yīng)電機(jī)。一個(gè)重要的補(bǔ)充是矢量控制庫(kù)。它與IAR，Keil和Green Hills工具鏈兼容。源文件可根據(jù)要求免費(fèi)提供，包括：

三種電流檢測(cè)方法選項(xiàng)

隔離

三個(gè)分流電阻，具有雙采樣保持功能利用率

單個(gè)分流電阻器的專(zhuān)有算法

三個(gè)死記錄位置反饋選項(xiàng)

轉(zhuǎn)速計(jì)（僅適用于感應(yīng)電機(jī)）

霍爾傳感器（ 60°和120°放置

無(wú)傳感器（僅限PMSM電機(jī)）

FOC的執(zhí)行時(shí)間用于PMSM電機(jī)的STM32 F1系列的無(wú)傳感器模式小于21μs（STM F4 MCU小于10μs）.10 kHz采樣時(shí)的總CPU負(fù)載小于25％，代碼大小小于14 Kbytes 。

安全要求

除能源效率外，標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)還公布了白色家電的質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEC/UL 60730制定了硬件標(biāo)準(zhǔn)和用于保護(hù)用戶(hù)免受傷害和機(jī)器損壞的軟件具體而言，IEC/UL 60730詳細(xì)介紹了測(cè)試和診斷方法，以確保設(shè)備的嵌入式控制硬件和軟件的操作是安全的。

白色產(chǎn)品符合IEC 60730 B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，有兩個(gè)簡(jiǎn)單的組件：能夠防止受控設(shè)備的不安全操作;軟件包括用于防止設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的危險(xiǎn)的代碼。

MCU必須在啟動(dòng)后執(zhí)行特定的軟件測(cè)試，并在運(yùn)行期間定期執(zhí)行，以確保系統(tǒng)按設(shè)計(jì)運(yùn)行。這些包括CPU和RAM測(cè)試; ROM/flash測(cè)試;時(shí)鐘測(cè)試和外圍測(cè)試。圖3標(biāo)識(shí)了MCU硬件子系統(tǒng)或功能以及該子系統(tǒng)中的故障類(lèi)型，必須根據(jù)IEC/UL 60670標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行識(shí)別和糾正。

圖3：為了達(dá)到IEC 60730標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試必須驗(yàn)證MCU或控制模塊中8個(gè)硬件子系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 （由IEC提供）

ROM/Flash測(cè)試基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），它可識(shí)別所有單比特錯(cuò)誤和大多數(shù)多比特錯(cuò)誤。用作校驗(yàn)和的CRC值可以使用查找表或比特移位在軟件中計(jì)算;查找表需要更多的代碼空間，但CPU周期更少。包括瑞薩在內(nèi)的一些公司為MCU提供專(zhuān)用的CRC計(jì)算電路，該電路可在兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)為一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)生成CRC值。

盡管測(cè)試是在軟件中使用低級(jí)軟件執(zhí)行的測(cè)試程序，在許多情況下，如果將額外的外圍設(shè)備集成到MCU中，測(cè)試可以成功。其中最重要的外圍設(shè)備是：

糾錯(cuò)碼（ECC）閃存

Deadman Timer（DMT）

窗口看門(mén)狗定時(shí)器（WWDT）

備份系統(tǒng)振蕩器

WWDT至關(guān)重要，因?yàn)樗梢源_保正確執(zhí)行MCU的控制算法。對(duì)于B類(lèi)產(chǎn)品，WWDT必須滿(mǎn)足四個(gè)要求：它必須有一個(gè)單獨(dú)的基于時(shí)間的振蕩器;它不能通過(guò)軟件禁用，必須實(shí)現(xiàn)基于硬件的復(fù)位;并且，必須在初始化和/或硬件復(fù)位后獲得安全I(xiàn)/O狀態(tài)。

所有主要的MCU供應(yīng)商都在其開(kāi)發(fā)套件中提供IEC 60730解決方案。

Microchip Technology已推出其16位dsPIC33EV數(shù)字信號(hào)控制器（DSC），該產(chǎn)品屬于該公司的dsPIC33EV系列。 “EV”系列是第一款帶有糾錯(cuò)碼（ECC）閃存的dsPIC33 DSC，可提高可靠性和安全性。

這一新系列提供5 V操作，可提高設(shè)備和汽車(chē)應(yīng)用中遇到的環(huán)境的抗噪性和穩(wěn)定性。對(duì)于安全關(guān)鍵型應(yīng)用，dsPIC33EV器件還包括CRC，死區(qū)定時(shí)器（DMT）和窗口看門(mén)狗定時(shí)器（WWDT）外設(shè)，以及備用系統(tǒng)振蕩器和經(jīng)過(guò)認(rèn)證的B類(lèi)軟件。

dsPIC33EV系列器件提供28種SOIC，28種QFN，28種SPDIP，44種TQFP，44種QFN，64種TQFP和64種QFN封裝，閃存范圍為64 KB至256 KB，包括有和沒(méi)有CAN的選項(xiàng)。 DS中的典型部分包括多達(dá)六個(gè)電機(jī)控制PWM，12位ADC和運(yùn)算放大器。

結(jié)論

由于歐盟等國(guó)家和地區(qū)政府機(jī)構(gòu)規(guī)定的能源和安全目標(biāo)，白色家電的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)導(dǎo)致使用BLDC和PMSM電機(jī)向無(wú)傳感器電機(jī)控制設(shè)計(jì)過(guò)渡。軟件開(kāi)發(fā)工具和庫(kù)與MCU上的外設(shè)集成同樣重要。供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種解決方案，包括16位和32位MCU。有時(shí)還包括DSP功能，以便更快地執(zhí)行算法。