解密消费电器变速控制绝招——数字电源管理

很多厨房和车库电器、电动工具以及其他小家电中所用的传统通用型电动机一般都不能精确地控制速度。电动机基本上只有关和开两种状态，这对于某些应用来说确实是足够了。但通过数字电源管理系统来进行精确变速控制可以实现很多巨大的优势，包括：

－更低的功耗

－更高的安全性

－更长的工具寿命

－更便于使用

－更先进的操作控制。

－将电器开启时产生电涌从而导致电路断开的风险最小化

成本曾经是在各种消费类电器中实现智能电机控制的主要障碍。本文将介绍一种由ZiLOG公司设计开发的新型高效低成本变速通用电机控制方案，以及这一方案是如何利用新型片上集成数字模块和先进的模拟硬件模块，以最少的外部组件和固件实现速度控制和故障停机功能的。

解决成本与复杂性问题

电子行业流行这么一个“传统”观点：能进行直接准确变速控制的系统所需的组件实在太贵了，根本无法用于价格敏感型消费电器中。这种观点认为，与其开发并执行这样的控制系统，提高最终产品零售价格并因此而使之对人们失去吸引力，还不如保持电器的低成本，放弃智能电机控制的优势。另外，由于快速过电流检测、故障控制、系统可靠性和效率等问题，电机控制应用还带来了棘手的工程难题。

由于对快速准确回路控制的需求，以及通过数字电源管理执行智能电机控制所需要组件的数量和成本，这些控制器应用给MCU树立了标准，要求它必须提供一流的性能和丰富的综合型先进功能，以简化闭合回路控制设计在通用电机控制领域的执行。

近几年专门用于电机控制的微控制器(MCU)已经问世，集成了8 位计算引擎、模数转换器（ADC）、比较器、计数器、定时器以及其它电路来控制电机速度，以满足负载的功率要求。由于快速而精确的闭环控制以及所需支持组件的数量和成本，这种控制器在对 MCU 的预期方面树立了新标杆。目前MCU生产商所面临的问题是如何在确保集成恰当的外部组件和功能的同时还能保持产品价格对消费者的吸引力。

一种最佳方法

图1展示了一个面向先进电机控制尤其是通用电机控制应用的低成本高效型数字功率管理方案。其中的片上模拟外围设备都是由ZiLOG开发并集成到它的一款8位MCU上的。

图1 ZiLOG 8位MCU框架图

在这个例子中，MCU的10位ADC能够提供多达四个单端/差分通道和一个可选的 1X 差分输入缓冲区。另外，ADC 模块中还集成了一个片上低功率运算放大器，从而不再需要另外的外部组件就能够获得高精度电流测量。结合这个多通道 ADC，MCU 的两个具有脉宽调制（PWM ）以及采集与比较功能的增强型16 位定时器模块可以同时操作两个负载（即电机），同时，直接 LED 驱动输出可用来在出现预设事件时触发 LED，而不需要额外的硬件。该方案还由其它特征，包括一个模拟比较器、一套用于确保可靠性的“防故障”振荡器机制、一个片上集成温度传感器和高达128B 的非易失性数据存储空间（NVDS）。图 2 是款使用了ZiLOG MCU 的通用电机的结构图。

图2 通用电机控制系统框架图

电机控制的主要功能

这个特别的数字公里发管理方案提供了通用电机所需的主要控制功能：“软启动”、过电流故障保护和使用片上比较器测定交流电路过零点以确保 MCU 输出信号同步的能力。我们来逐条分析一下，并看看该方案是如何满足这些要求的：

（1）软启动

“软启动”功能确保在电机打开时功率逐渐地而不是突然输出到电机。通过使用 MCU 的单 I/O 输出控制 TRIAC 的触发/点火角来实现可调控制。这种功能最大程度地减少了启动时转子的过冲和不平稳运动，从而减少电机磨损，并防止需量的突变，避免电路断开以致刚开启的和正在运行的电器都被关断的情况。

ZiLOG的软启动实现方法采用了一个定时器和重新载入定时器高低字节时使用的一个查找表。在交流信号的一个半周期内可以实现二十个均匀分布的触发角。通过这种方法可以调节 TRIAC 触发角（如图3），以调整输送给电机的功率。这种软启动方案使用一个10 微秒输出脉冲宽度触发TRIAC，在此期间触发角从 18°上升至162° (一个半周期的 10% 至 90%)，此时电机过渡到正常满速运转。

（2）过电流故障保护

大多数电机控制都需要过电流故障保护。过电流故障的原因有很多，例如电机绕组短路、电机引线短路、机械驱动与连接装置故障、功率器件损坏、接线错误等，会导致电器损毁。在出现过电流故障时，不管原因是什么，都必须立即停止电机转动以防止损坏。虽然保护电路必须动作迅速，但是最好逐周期地关掉 PWM 输出，并且在不能继续发现故障条件时恢复正常运转，而不要一下子完全关断整个系统。如果这种方法不能解决问题，那么再关断系统。

这个电机控制器方案以一个感应电阻来测量电机电流（图 2），并把信号传输到片上集成 ADC。过电流门限值是可以设置的，而一旦电流达到这个门限值，系统就会启动一个中断服务程序，然后终止输送到TRIAC 的触发脉冲，并最终关闭系统。

（3）过零点

要控制电机速度，TRIAC 的触发角必须与交流电路电压同步，因此，必须测定这种信号的过零时刻。iLOG 的电机控制方案使用了一个片上集成的模拟比较器，不再需要外部组件，因此有助于降低成本和系统复杂性。图 3 展示了用来实现变速控制的不同的TRIAC 触发角。在图中所示的应用中，TRIAC 的触发角被设为 9° 。

图3 电机电压：18°、90°和162°TRAC触发角

结论

由于成本和系统复杂性的原因，各种家电和便携式工具中使用的传统通用电机一般都缺乏精确电机控制，而要解决这一问题，可以使用一个数字电源管理来实现变速控制，以提供各种明显的优势，并防止启动电器时可能出现的烦人又危险的会导致电路断开的电涌。上面提到的这一方案使用了ZiLOG的 Z8 Encore! XP Flash MCU，采用了片上集成数字模块和先进的模拟硬件模块，提供了一种通用电机控制方案，能克服阻碍在各种价格敏感型电器上执行智能控制的成本与复杂性问题。

预了解ZiLOG电机控制方案的更多信息请登陆www.zilog.com。

作者介绍：

Ken Johnston是ZiLOG公司数字电源管理营销总监，有14年的MCU工作经验，熟悉工厂自动化、航天工业、测量、数码相机、微胶片扫描器、电机控制、MCU应用工程和MCU产品管理等多个领域。他拥有华盛顿州立大学BSEE学位和菲尼克斯大学技术管理MBA学位。

Rex Allison是ZiLOG公司电机控制微处理器高级应用工程师，在设计和开发用于电动车、工业机器人和消费品的交流驱动器上有12年的经验，拥有加州太平洋大学BSEE学位，并正在攻读圣何塞州立大学MSEE学位。