MCU在工业控制应用中的双重意义：节能与提升系统性能

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全球能源减少，加之能源需求每年以2.6%的速度上升，迫使我们在日常生活中更加明智地使用能源。国际能源署(IEA)2005年国际能源展望的数据显示，2004年全球总体电力消耗总计15,400亿千瓦时，占全球能量消耗的三分之一，电力消耗不断攀升。其中，美国(24%)和中国(13%)是最大消费国。因此，节省能源已成为公共及私人生活等所有领域中的重要问题，涉及工业应用、交通以及家庭应用。 工业控制中采用MCU的优势与趋势 当客户在工业控制应用中采用MCU时，系统性能改善和更加节能是两个主要好处。传统意义上，建立空调系统采用简单的开/关方法来控制压缩机。当我们启动压缩机的时候，不管温度是多少，它都全速运行，开和关状态之间的转变结果是快速启动或停止压缩机。这样做非常浪费能源，而且操作时噪音较大。而采用具有马达控制功能的MCU可以实现具有以下特点的空调解决方案：1.能量效率能够总是保持最佳速度与扭矩；2.更好的系统性能——低噪声与低振动，运行平稳，启动和停止时也很平稳。 使马达具有最佳速度与扭矩，并减少开关次数，通过降低开关损耗将可以使电设备节能25~30%。这是非常有意义的，因为在电力消耗中，40%的电力用在了马达控制应用。同时，考虑到中国是全球第二大能源消费大国，而且随着迅速的工业化进程，能源需求在以较快的速度增长，具有能源效率的马达控制应用将在中国节省大量能源。

预测全球耗电年增长2.6%，具有能源效率的马达控制应用将大量节能。

根据市场调研公司Gartner在2005年进行的调查，未来几年有三种趋势将影响该产业应用：具有竞争力的性价比；经过改进外设功能增强MCU的能力；处理器技术：在MCU中增加DSP和RISC内核，把这种小型系统芯片(SoC)推向了新的应用市场。采用MCU，要求工程师熟悉数字控制方法、嵌入软件编程、MCU的功能与特点，以及工业控制应用的运行条件。需要特别注意的是，我们在工业控制应用中绝不能允许出现任何失控现象，例如，当按下电动扶梯的紧急停止钮时，该扶梯应该立即停下来，而不是经过一段不确定的时间才停下来。另外我们也期望该应用能够每天24小时运行，在无故障的情况下连续运行。 此外，还需要有可靠的和得到认证的工具来支持MCU，以减少开发过程中的意外、避免时间延误、改善成本控制或者满足工业标准。所有这些都是非常复杂的要求，需要在多家供应商提供的种类繁多的MCU中认真选择合适的MCU。 英飞凌的MCU解决方案 英飞凌从上世纪80年代初就开始开发MCU，迄今已了解实时嵌入系统要求，并开发出以具有成本效益的方式满足这些要求的高性能MCU。我们拥有内部高性能内核，并为实时、事件处理和智能外设进行了优化，降低了内核负载。例如C166是与DSP整合在一起的16位CPU，它在15年里通过了硅实体验证(silicon proven)，在ADC与PWM之间的内在同步性，在不增加CPU负荷的情况下探测外部中断事件，可以提供可预测的中断响应时间、位操纵。由传统的三相、三分路的电流测量改进为只使用一个分路的电流测量，通过Capcom6和ADC的密切相互作用，降低了系统材料成本。因此，利用一个工具链，你就能开发出实时控制和DSP计算嵌入软件。 另外我们有与汽车及工业客户打交道的历史，英飞凌建立了长期供应链、可追溯的流程控制和产品设计方法，可以满足汽车与工业客户的质量要求。例如对产品进行最坏情况模拟和测试，以确保产品在-40℃~125℃的温度范围内保持同样的性能。在2006年，英飞凌80%以上的MCU具有不到3个DPPM(每百万器件中的缺陷器件数目)。这帮助客户避免现场退货，从而降低了成本，尤其是在特别强调安全的应用，如CNC servomotor，高质量是其“必备属性”。 另外工作温度在-40℃~140℃范围符合工业或汽车质量标准的产品在高温应用中成本效益非常高，例如当MCU用于控制暖气炉马达时，不再需要散热器。新一代8位MCU XC800专门用于驱动应用，包括马达控制、洗衣机、空调、工业自动化、楼宇自动化。它有高性能8051内核，功能、性能、内存和IO有很强的升级能力。 还有一些优异特点包括：1.闪存具有内置错误校验，以满足汽车零缺陷质量标准；2.PWM的高性能捕捉比较单元(CCU)具有面向马达控制的特殊模式，如死区时间控制；3.高精度和快速10位ADC(8个通道，具有同样的采样时间，都是0.25us)；4.16位矢量计算机(Math&Cordic单元)，用于处理复杂的矢量旋转和变换，如Park变换，正常化与定标。 针对马达控制应用，我们考虑采用磁场定向控制(FOC)技术。磁场定向控制技术正越来越多地应用于各种消费与工业马达控制应用之中，因为它能够确保电机在任何时候都可以最佳的扭矩高效地运行；出色的动态响应可以实现精准的可变速度控制；低扭矩波动可使马达在运行、起动和停止操作时，保持平稳运转。所有这些FOC控制都需要计算能力，以处理复杂的三角方程，一般情况下都是利用16位或32位微控制器或数字信号处理器(DSP)来处理这些运算。与这些解决方案相比，英飞凌的8位MCU系列XC886和XC888只需大约50%的电子物料成本，便可提供磁场定向控制的全部好处。XC886通过采用执行旋转和定标运算的16位矢量计算机，大大提升了计算性能。 利用性能出色的8位XC886，我们在执行磁场定向控制操作时，只需占用58%的CPU性能，为执行通信、程序控制和用户接口等应用留出了足够的空间。与大多数硬编码磁场定向控制技术不同，XC886和XC888可提供软件再编程优势，从而增加了灵活性，并具备使应用独具特色的潜力。 为了帮助客户在XC800系列产品上面评估FOC，我们还提供应用套件，FOC驱动应用套件为客户提供了具有成本效益的方法来评估和开发永磁同步电动机(PMSM)控制使用FOC技术的应用。成套工具以集成XC886CM MCU 和一台三相逆变电源提供所有必要的功能控制24V PMSM马达的CANmotion评估板为特色。完整的FOC源代码以及免费工具链(包括FOC控制软件、免费编译器和调试器)将提供给设计者即插即用解决方案来启动FOC的开发，可缩短软件开发时间。