采用優(yōu)化微控制器的先進功率設計可為多種應用帶來巨大節(jié)能潛力。改進的能效和降低的系統(tǒng)成本將推動風扇、水泵、壓縮機、齒輪電機的現(xiàn)代化電機控制設計，以及用于照明產(chǎn)品或電磁爐的功率轉換設計。智能化控制理念的實施，比如適用于電機的場定向控制（FOC）或適用于LED的電流控制，有助于滿足這些需求。英飛凌致力于迎接能效和成本效率挑戰(zhàn)，通過推出具備優(yōu)化特性（包括可以較低實施成本獲得大幅節(jié)能的FOC特性）的新微控制器系列，進一步壯大了8位微控制器產(chǎn)品陣容。

在工業(yè)化國家，電機的耗電量占總電耗的一半以上。電機耗電量占工業(yè)用電量的三分之二，約占居民用電量的四分之一。改善電機的能效可大幅節(jié)能并降低運行成本。目前，市場對具有更高能效的變頻電機（如風扇、泵）的需求不斷提高。IMS Research的市場分析師宣稱，從2006年至2011年，電機的年均復合增長率將達到10％。工業(yè)電機的這種強勁增長，將帶動微控制器的增長，使其在同期的年均復合增長率達到8.9%。

除電機控制外，功率電子裝置還有助于大幅改善照明、電磁爐和空調的能效。這些領域的節(jié)能潛力在25％以上（圖1）。微控制器是實現(xiàn)節(jié)能的核心組件。低成本、易用的微控制器可降低高能效設計的門檻，同時可確保采用先進的控制方法。

圖1：采用功率電子器件的節(jié)能潛力。

場定向控制

場定向控制（FOC），或稱矢量控制是一種控制三相交流電機的方法。采用這種方法控制電機，有利于降低電機的尺寸、成本和功耗。采用FOC方法，可大幅改善電機的能效。這對功耗、電機動態(tài)、散熱和噪音將產(chǎn)生巨大影響。相對于基于傳感器的電機控制，無刷直流電機（BLDC）或永磁同步電機（PMSM）的無傳感器場定向控制可帶來額外的成本益處（圖2）。無傳感器方法利用電機的反電動勢（電磁力）計算轉角和轉子位置。反電動勢在磁鏈觀測器中進行計算，這是以二相坐標系中的系統(tǒng)電壓模型為基礎。一個分支足以重建相電流。

圖2：以極低的成本獲得較高的能效：全新的XC83x器件可確保以極高的成本效率，實現(xiàn)永磁同步電機的無傳感器FOC特性。

無刷直流電機、永磁同步電機或交流感應電機與運行優(yōu)化微控制器的強大電機控制算法結合使用，可確保提供最高能效的解決方案。對于無刷電機而言，包括梯形、正弦和FOC在內的多種電機控制系統(tǒng)算法都適用。

在低速條件下，正弦換相可確保平滑運行，但在高速條件下，效率不足。阻塞換相在高速條件下，效率相對較高，但在低速條件下，會引起轉矩脈動。這導致了FOC的產(chǎn)生。無論在低速還是在高速條件下，F(xiàn)OC都具備最佳的性能。采用FOC，可使電機的效率高達95％，并降低能耗和噪音，以及提供出色的轉矩動態(tài)特性。這可在相同轉矩條件下，使逆變器獲得更高效率，功率極更小，電機尺寸更小。

FOC算法不受時間和速度的影響，可直接獨立控制磁通量和轉矩。通過數(shù)學公式（Clarke及Park變換），可將電機的電氣狀態(tài)轉換為時間不變性旋轉兩軸坐標系。FOC可用于交流感應電機和無刷直流電機，用于改善它們的效率和性能。通過升級控制系統(tǒng)，它還適用于現(xiàn)有的電機。

可擴展的微控制器系列

由于降低功耗、縮減成本和提升性能是驅動當今微控制器發(fā)展的主要因素，因此一個以8位價格提供16位性能的8位微控制器系列，可滿足多種苛刻應用的需求。英飛凌的XC800系列（圖3）將一個8051內核與嵌入式閃存（4KB至64KB）結合使用，封裝的管腳數(shù)為16（TSSOP16）至64（QFP64）。為降低系統(tǒng)成本，XC800系列還集成了晶振、穩(wěn)壓器、EEPROM和監(jiān)控電路等特性。不同的閃存尺寸、可擴展的外設和FOC等創(chuàng)新特性，使得能夠輕松選擇所需的產(chǎn)品，滿足專業(yè)應用的需求。XC800系列還具備功能強大的外設，這使得其成為各種電機控制和功率轉換應用的理想之選。這些外設包括一個可靈活生成PWM的捕獲/比較單元（CCU6）和一個用于實現(xiàn)精確測量并與PWM實現(xiàn)硬件同步的增強型快速模數(shù)轉換器（ADC）。此外，某些型號產(chǎn)品還搭載了一個支持FOC的16位矢量計算機。這是業(yè)內首款采用16位矢量計算機的8位微控制器。采用這種矢量計算機，執(zhí)行FOC功能時，只需占用CPU約一半的處理性能，這在整個業(yè)界也是獨一無二的。

圖3：適用于廣泛的電機控制和功率轉換應用的可擴展微控制器產(chǎn)品組合。

FOC功能（在XC886/888、XC878和即將面世的XC83x產(chǎn)品中采用）將高性能8051內核與一個矢量計算機協(xié)處理器內核結合使用，執(zhí)行16位算數(shù)運算。這種可完全編程的矢量計算機搭載兩個并聯(lián)的計算單元：一個16位乘除單元（MDU）和一個適用于矢量旋轉和角度計算的16位協(xié)處理器CORDIC。這種矢量計算機基于中斷的運算，可降低CPU負載。與競爭對手多數(shù)采用硬編碼的FOC技術不同，基于XC800微控制器的解決方案具備軟件再編程特性，為可開發(fā)人員帶來更多應用選擇。

低功耗與低成本

得益于不足0.40歐元（10萬枚訂購量）的低成本，XC82x 和 XC83x微控制器可確保以極其經(jīng)濟劃算的方式，實現(xiàn)節(jié)能控制理念。XC82x集成了一個MDU和一個快速ADC，以提供快速PWM單元，和霍爾傳感器一起實現(xiàn)正弦換相。此外，XC83x（圖4）集成了一個增強型矢量計算機（MDU和CORDIC），提供全硬件支持FOC功能。

圖4：采用全新增強型外設的XC83x系列的框圖。

對于無刷直流電機或永磁同步電機的無傳感器FOC等優(yōu)化電控控制而言，可獲得可配置的參考代碼（PWM頻率、電機參數(shù)和電流測量標度），并具備如下特性：16位算法、搭載24位數(shù)據(jù)存儲器的抗飽和PI控制器、32位分辨率通量計算和低于150微秒的快速控制環(huán)路計算。

下列要求是確保照明應用（如LED電流控制或HID功率控制和點火）和電磁爐（準諧振控制）實現(xiàn)功率轉換的關鍵：高分辨率PWM、快速ADC測量、自主式外設及適用于控制回路并具備保護功能的比較器。

為滿足這些需求，XC82x/XC83x微控制器具備一個時鐘頻率為48MHz的捕獲比較單元（CCU6）和一個快速16MHz ADC。這個ADC的采樣時間僅為125ns，轉換時間約為820ns。在設計中，ADC與CCU6直接通過硬件連接（圖5），可確保有力的PWM控制。集成的ADC限值檢驗器還具備8位數(shù)字比較器的功能。此外，采用了一個ADC“超量程（out of range）”比較器。

圖5：ADC與CAPCOM6單元的直接硬件連接可確保實現(xiàn)強大的PWM控制。

這些全新的微控制器經(jīng)過優(yōu)化，采用具備較少管腳的封裝（圖6），可降低占板空間和成本。支持低管腳數(shù)的特性包括：一個集成的晶振（48MHz）、集成的ADC參考電壓（1.25V）、雙向端口結構（一個管腳用于實現(xiàn)半雙工連接），只有3個專用電源管腳（VDDC、VDDP、VSSP）、通過單管腳DAP實現(xiàn)的OCDS調試支持和啟動模式的非易失性配置。

圖6：全新的XC82x/XC83x器件經(jīng)過優(yōu)化，具備較少的管腳。

此外，全新的低成本XC82x和 XC83x系列還具備幾個全新的特性，以提供額外價值，包括容式觸控感應和 LED矩陣控制器、搭載32kHz 和 75kHz晶振的RTC以及直接驅動步進計量裝置的大電流焊盤。

適用于高能效產(chǎn)品設計

要想使創(chuàng)新的電機控制概念得到高效的部署和應用，需要采用優(yōu)化的微控制器架構和易用工具。英飛凌不僅提供可擴展的強大微控制器，而且提供帶有相關工具鏈的完整解決方案。此外，英飛凌還提供廣泛的應用套件。這些應用套件可簡化適用于高效電機驅動的硬件和軟件解決方案的評估與部署。提供的應用套件和工具鏈支持在微控制器上快速部署全新的電機控制技術。提供的適用于電機驅動產(chǎn)品的全套參考系統(tǒng)，支持從阻塞換相到FOC的所有算法。

所有應用套件都包含一個免費的工具鏈（編譯器、實時調試環(huán)境等）和即插即用的設計，因為它具備所有相關的硬件和軟件部件。提供的完整解決方案包含微控制器、功率半導體和無源組件。硬件設計范例等補充性資料也包含在應用套件中。

這些應用套件可與適用于電機驅動的獨特的自動代碼生成器DAvE Drive結合使用。DAvE Drive是一種適用于英飛凌8位微控制器系列的應用代碼生成器。由于可輕松、快速地配置FOC等復雜控制算法，它有助于縮短電機驅動的軟件開發(fā)周期。電機控制裝置設計者可集中精力快速開發(fā)具體應用軟件，例如驅動功能的編程。DAvE Drive軟件工具生成基于源代碼的完整算法，不是來自于預編譯庫。它還能對具體客戶電機實施快速調整。電機類型可從庫中選擇，或者通過設置標準電壓、相電感或電阻等主要特性，確定電機類型。采用DAvE Drive，可輕松調整速度和電流控制等參數(shù)。

本文小結

對更高效的電機驅動和功率轉換解決方案的需求，導致對相關微控制器需求的增大。英飛凌XC800微控制器家族具備適用于不同電機控制方法的可擴展解決方案。這些電機控制方法包括，適用于搭載霍爾傳感器或無傳感器的無刷直流電機的阻塞換相、適用于無刷直流電機或永磁同步電機的FOC，以及FOC與PFC（功率因數(shù)控制）的結合應用。適用于照明產(chǎn)品和電磁爐的參考代碼和應用套件目前尚在開發(fā)當中。