白色家电的低功耗MCU解决方案

过去10年来，洗衣机，冰箱和洗碗机等白色家电的设计已经朝着积极的新方向发展。虽然性能指标如干净？多快？多冷？仍然很重要的是，他们加入了旨在提高能源效率，安全性以及高端模型互联网连接的设计目标。

欧盟，美国和许多发达国家已经规定了能源 - 例如，将洗衣机的平均使用率降低到每年约150kWh的效率标准。每个子系统都在最小化能耗方面发挥作用，但MCU的关键任务是执行复杂的电机控制算法，以优化电机的能耗。

自动可编程性 - 例如在洗衣机，烘干机和洗碗机上使用预设 - 使得节能目标变得更加复杂。为了在优化能源使用的同时为客户提供便利，设计人员正在使用传感器来测量负载和水温的大小。

虽然能源消耗在每个设计师的心中，但世界各地的监管机构也已经颁布了白色家电的质量和安全标准。 IEC/UL 60730设定了硬件和软件标准，以保护用户免受伤害和机器本身免受损坏。

通信能力也变得越来越重要，第一步是与智能电表通信的能力。互联网接入设备也是一个考虑因素，逻辑上可以带来更高的安全性。

BLDC电机控制

积极的能效目标正在推动从内置位置的电机迁移无传感器无刷直流（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）电机的传感器。控制BLDC电机需要一些设计复杂性。 PMSM控制更复杂，计算密集。它通常用于高端电器和工业电机控制。

交流供电的无刷直流电机的永磁体固定在转子上，绕组固定在定子上。磁铁产生转子磁通;通电的定子绕组产生电磁极。通过激励定子相（例如，用于三相电源的120°矩形波），产生定子上的旋转场。

必须严格控制转子和旋转磁场之间的空间关系以产生扭矩。这种同步需要知道转子位置。转子上的较大数量的磁极通常为相同的电流产生更大的转矩，但是如果磁体之间的空间减小太多，则这种优势最终会消失。

MCU供应商提供广泛的软件开发支持，使MCU可以在转子静止时以及高转速下检测转子位置。使用BLDC控制转换为无传感器电机也需要特定的硬件，既可以作为电机控制卡上的设备，也可以集成到MCU本身。该硬件包括：快速三相脉冲宽度调制（PWM）输出定时器;专用的高速比较器，用于过流检测和转子位置检测;一个D/A转换器;可编程增益放大器（PGA）和可变放大因子;和快速运算放大器。

PGA应具有高压摆率。还希望它支持软件可选的可变放大因子。当PGA集成在芯片上时，消除了对用于电压检测或过电流检测的外部放大器的需求。

双通道高速比较器通常在一个通道中使用PGA输出作为输入信号，从而实现BLDC逆变器电路的过流检测。另一个比较器通道允许用户选择正负输入的任意组合，以实现转子位置检测并管理电机的反电动势信号。

许多MCU供应商，包括德州仪器，意法半导体，恩智浦/飞思卡尔，Microchip和瑞萨都提供BLDC硬件/软件产品。例如，瑞萨已将其16位，24 MHz RL78/G1G MCU系列用于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D/A转换器和一个能够进行软件控制放大的PGA。

典型的瑞萨RL78/G1G器件是R5F11EFAAFP＃30。另外还提供用于RL78/G1G MCU系列的YR0K5011EFS000BE入门套件。核心RL78/G1G功能的框图如图1所示。

图1：瑞萨RL78/G1F系列设计用于支持BLDC电机。 （瑞萨半导体公司提供）

瑞萨最近推出了RL78/G1F系列，集成了更多功能，提供更高的时钟速率和片上存储器。

PMSM控制

< p> BLDC和PMSM电机都是使用转子上的永磁体和定子上的绕组构建的。它们主要区别在于逆变器为电机提供的驱动信号：BLDC电机采用矩形（或某些情况下为梯形）波形控制，PMSM电机由正弦波形控制，以匹配每个电机绕组的反电动势波形。

用于控制PMSM电机的磁场定向控制（FOC）技术比BLDC的矩形和梯形控制方案需要更多的计算能力。这意味着更高的MCU时钟速率，32位架构，多个ADC，软件库的更多片上ROM以及器件上的更多引脚。

提供BLDC硬件/软件产品的相同供应商也提供PMSM软件包。例如，瑞萨已将其100 MHz RX62T和RX63T系列用于PMSM应用。它们基于瑞萨专有的32位RX内核，集成了多功能定时器，高速12位A/D转换器和10位A/D转换器以及其他外设。更高性能的器件是R5F563TEDDFB＃V0，具有512 Mbits的闪存和144个引脚。另外还有用于RX63T系列的R0K50563TS000BE入门套件。

STMicroelectronics是另一家拥有多个MCU系列的供应商，用于BLDC和PMSM控制。那些能够进行PMSM控制并基于该公司的STM32架构和ARM Ltd.的32位Cortex-M0，M3和M4内核的产品。典型的中档产品是72 MHz，STM32F303VCT7。 PMSM应用中使用的STM32F303 MCU评估套件是STEVAL-IHM042V1。

由于所有MCU供应商的PMSM解决方案的一个组成部分是它们提供的应用软件和FOC软件库，因此值得简要介绍STMicro开发工具的功能，这些工具组装成硬件/软件包。其他供应商提供类似的产品。

使用STMicro的开发人员套件，开发人员可以通过使用LCD和套件中包含的操纵杆进行演示，熟悉设计过程。图2显示了套件组件。可以微调或改变然后用于控制PMSM电机的参数包括：

扭矩，通量和速度PID的实时调整

反电动势观测器增益调整（无传感器控制）

目标速度的变化（速度控制）

总线电压和功率级温度监控

为DAC功能实现输出的变量选择

图2：STMicro用于STM32F303 MCU的电机控制套件。 （由STMicroelectronics提供）

STMicro电机控制套件中的软件可以处理PMSM和感应电机。一个重要的补充是矢量控制库。它与IAR，Keil和Green Hills工具链兼容。源文件可根据要求免费提供，包括：

三种电流检测方法选项

隔离

三个分流电阻，具有双采样保持功能利用率

单个分流电阻器的专有算法

三个死记录位置反馈选项

转速计（仅适用于感应电机）

霍尔传感器（ 60°和120°放置

无传感器（仅限PMSM电机）

FOC的执行时间用于PMSM电机的STM32 F1系列的无传感器模式小于21μs（STM F4 MCU小于10μs）.10 kHz采样时的总CPU负载小于25％，代码大小小于14 Kbytes 。

安全要求

除能源效率外，标准和监管机构还公布了白色家电的质量和安全标准。例如，IEC/UL 60730制定了硬件标准和用于保护用户免受伤害和机器损坏的软件具体而言，IEC/UL 60730详细介绍了测试和诊断方法，以确保设备的嵌入式控制硬件和软件的操作是安全的。

白色产品符合IEC 60730 B类标准，有两个简单的组件：能够防止受控设备的不安全操作;软件包括用于防止设备发生故障时的危险的代码。

MCU必须在启动后执行特定的软件测试，并在运行期间定期执行，以确保系统按设计运行。这些包括CPU和RAM测试; ROM/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，必须根据IEC/UL 60670标准进行识别和纠正。

图3：为了达到IEC 60730标准，测试必须验证MCU或控制模块中8个硬件子系统的正常运行。 （由IEC提供）

ROM/Flash测试基于循环冗余校验（CRC），它可识别所有单比特错误和大多数多比特错误。用作校验和的CRC值可以使用查找表或比特移位在软件中计算;查找表需要更多的代码空间，但CPU周期更少。包括瑞萨在内的一些公司为MCU提供专用的CRC计算电路，该电路可在两个机器周期内为一个字节的数据生成CRC值。

尽管测试是在软件中使用低级软件执行的测试程序，在许多情况下，如果将额外的外围设备集成到MCU中，测试可以成功。其中最重要的外围设备是：

纠错码（ECC）闪存

Deadman Timer（DMT）

窗口看门狗定时器（WWDT）

备份系统振荡器

WWDT至关重要，因为它可以确保正确执行MCU的控制算法。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;它不能通过软件禁用，必须实现基于硬件的复位;并且，必须在初始化和/或硬件复位后获得安全I/O状态。

所有主要的MCU供应商都在其开发套件中提供IEC 60730解决方案。

Microchip Technology已推出其16位dsPIC33EV数字信号控制器（DSC），该产品属于该公司的dsPIC33EV系列。 “EV”系列是第一款带有纠错码（ECC）闪存的dsPIC33 DSC，可提高可靠性和安全性。

这一新系列提供5 V操作，可提高设备和汽车应用中遇到的环境的抗噪性和稳定性。对于安全关键型应用，dsPIC33EV器件还包括CRC，死区定时器（DMT）和窗口看门狗定时器（WWDT）外设，以及备用系统振荡器和经过认证的B类软件。

dsPIC33EV系列器件提供28种SOIC，28种QFN，28种SPDIP，44种TQFP，44种QFN，64种TQFP和64种QFN封装，闪存范围为64 KB至256 KB，包括有和没有CAN的选项。 DS中的典型部分包括多达六个电机控制PWM，12位ADC和运算放大器。

结论

由于欧盟等国家和地区政府机构规定的能源和安全目标，白色家电的设计变得更加复杂。实现这些目标导致使用BLDC和PMSM电机向无传感器电机控制设计过渡。软件开发工具和库与MCU上的外设集成同样重要。供应商已经开发出各种解决方案，包括16位和32位MCU。有时还包括DSP功能，以便更快地执行算法。