在工業化國家中，電動馬達所使用的電力占全國用電量一半以上，為工業用電量的三分之二，以及家庭用電量的四分之一。改善電動馬達的效率，可大幅節能並降低營運成本。由於具速度控制功能的馬達可以替如風扇、幫浦等提供更高效率，因此需求不斷增加。市調公司IMS Research的市場分析師表示，2006～2011年驅動裝置的年複合成長率可達10%。隨著工業驅動裝置強勁成長，同期微控制器的年複合成長率也可達8.9%。除馬達控制外，功率電子還可大幅提升照明、電磁爐、空調等的能源效率，電力節省超過25%(表1)，而關鍵便在於微控制器。微控制器不僅低價、又易於使用，因此降低了高效能設計的進入門檻，而且也不須犧牲精密控制方法。
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| 表1 功率電子的節能潛力 |
FOC大幅提升馬達效率
FOC是三相交流電動馬達的控制方法，可減少馬達尺寸、成本與用電量。FOC可大幅提升馬達效率，十分有助於改善耗電量、馬達動力、散熱與雜訊。相較於使用感測器的馬達控制方式，使用無感測器FOC的無刷直流馬達(Brush Less DC Motor, BLDC)或永久磁鐵同步馬達(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)可達到較高的成本效益(圖1)。無感測器的控制原理，是利用馬達的反電動勢(Back EMF)來計算旋轉角度與轉子位置。反電動勢是由磁通估測器，依系統電壓模型的雙相參考座標來計算。只要有一個分流器，即可重建相位電流。
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| 圖1 為實現高能源效率，使用新型裝置，可以極低成本有效實現PMSM馬達的無感測器FOC。 |
如果使用BLDC、PMSM或交流感應馬達，並以最佳化的微控制器來結合強大的馬達控制演算法，就會得到最具能源效益的解決方案。無刷馬達可使用多種馬達控制系統演算法，包括梯形控制、弦波控制與FOC。弦波整流可在低轉速時產生平滑運動，但高轉速時效率不高。區塊整流在高轉速時可達到相對較高的效率，而在低轉速時會產生轉矩漣波。FOC則集兩者的優點於一身，可使電動馬達的效率增加達95%，並提供低耗電量、低雜訊及卓越的扭矩動態等優點。因此在相同的扭矩下，可提供更高的變頻器效能、更小的功率級和更小的馬達尺寸。 FOC演算法的原理，是使用名為Clarke與Park轉換的數學公式，將馬達的電子組態轉換至雙座標非時變旋轉座標系，以移除時間與速度相依性，並允許直接和獨立控制磁通量與扭矩。FOC可用於交流感應馬達與無刷直流馬達，以改善效率與性能。現有的馬達也可經由控制系統升級來使用FOC。
微控制器扮演關鍵角色
現今微控制器的關鍵要素就在於低耗電量、高性能與低成本，而新的8位元微控制器系列能以8位元的價格提供16位元的性能，適合各種高需求應用。新系列控制器(圖2)結合了8051核心與4K～64KB的嵌入式快閃記憶體，並提供十六(TSSOP16)至六十四(QFP64)的接腳數。此外還內建振盪器、穩壓器、電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)與監控電路以降低系統成本。多種快閃記憶體大小、可擴充周邊，加上FOC等創新功能，讓使用者可輕鬆針對各種應用選擇正確的產品。新的微控制器提供許多功能強大的周邊裝置，可成為各類馬達控制與功率轉換應用的理想選擇。這些周邊包括可實現彈性化脈衝寬度調變(PWM)訊號產生的CCU6擷取/比對單元(Capture/Compare Unit)，以及可實現精確量測並將硬體與PWM同步化的增強型高速類比數位轉換器。此外部分型號還搭配支援FOC的16位元向量電腦，為業界8位元微控制器的新創舉。使用向量電腦時，只要一半的中央處理器(CPU)性能即可執行FOC。
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| 圖2 適用於各種馬達控制與功率轉換應用的可擴充微控制器產品線 |
FOC功能結合8051核心以及執行16位元算數運算的向量電腦共處理核心。完整的可編程向量電腦是由兩個平行運算單元所構成：16位元乘法/除法器(Multiplication/Division Unit, MDU)，以及向量旋轉和角度計算(CORDIC)專用的16位元處理器。向量電腦所使用的中斷式操作可減少CPU負載。有別於其他使用硬體編碼的FOC，新系列微控制器能夠重複編碼，讓開發人員應用更具彈性。 符合低耗電量/低成本需求
新型微控制器系列能讓使用者以低成本實現節能控制概念。XC82x型號內建MDU與高速類比數位轉換器(ADC)，以提供霍爾感測器弦波整流所需的高速PWM單元，而XC83x型號(圖3)則另內建增強型向量電腦(MDU與CORDIC)，提供FOC功能的完整硬體支援。要實現最佳化馬達控制，如BLDC或PMSM的無感測器FOC，可使用具下列特色的可配置參考碼，以應用在PWM頻率、馬達參數與電流量測定標等用途，像是16位元算數、具反積分終結限制(Anti-wind-up Limit)和24位元資料儲存的積分(PI)控制器、32位元解析度通量計算、以及小於150微秒的高速控制迴路計算。
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| 圖3 新微控制器系列方塊圖，包含功能強大的新型周邊裝置。 |
在照明應用功率轉換方面，如LED電流控制或高強度氣體放電(HID)燈的電源控制與點火控制，以及如電磁爐的類共振控制單開關拓撲的關鍵需求，可提供高解析度PWM、ADC高速量測、獨立周邊(Autonomous Peripheral)以及控制迴路和保護功能所需的比較器。
為因應這些需求，新系列微控制器提供了48MHz時脈的CapCom6單元，且取樣時間只有125奈秒，且轉換時間約820奈秒的16MHz高速ADC。ADC與CCU6之間有直接硬體連結(圖4)，可提供強大的PWM控制。此外內建的ADC限制檢查器，可實現具8位元解析度數位比較器的功能。另外還採用了一個ADC溢出(Out of Range)比較器。
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| 圖4 ADC與CAPCOM6單元之間有直接硬體連結，可提供強大的PWM控制。 |
新型微控制器已針對低接腳數採取最佳化封裝(圖5)以節省電路板空間與成本。支援低接腳數的功能包括內建振盪器(48MHz)、內建ADC參考電壓(1.25伏特)、單接腳半雙工連結所需的雙向連接埠架構、只有三個電源專屬接腳(VDDC、VDDP、VSSP)、經單接腳元件組合板(DAP)的輸出命令資料集(OCDS)除錯支援以及開機模式的非揮發性配置。此外新型微控制器系列還提供許多附加功能，包括觸碰感應與LED矩陣控制、具32kHz與75kHz振盪器的微控制器即時時鐘(RTC)、以及可用來直接驅動步進儀表的高電流接點。
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| 圖5 新型裝置已針對低接腳數最佳化 |
應用套件適合節能設計
想要有效實施與執行創新馬達控制概念，就需要最佳化控制器架構與方便的工具。廠商不僅提供功能強大的可擴充微控制器外，更有完整的解決方案與所需的工具鏈。另外還提供了廣泛的應用套件產品線，以加快高效能馬達驅動器的硬體與軟體評估與實施。所提供的應用套件與工具鏈，可幫助使用者在微控制器上迅速實施新型馬達控制技術。完整的馬達驅動應用參考系統組合，支援從區塊整流到FOC等的演算法。
所有應用套件均包含免費的工具鏈，如編譯器、即時除錯環境等，且所有相關硬體與軟體部件均提供隨插即用的設計。這是一個搭配微控制器、功率半導體與被動元件的完整解決方案。應用套件中還附有完整的文件，包含硬體設計範例，可搭配馬達驅動器自動碼產生器DAvE Drive使用，並適用於8位元微控制器系列，可迅速輕鬆配置如FOC這類複雜的控制演算法，縮短馬達驅動器的軟體開發時間。馬達控制設計者可迅速將注意力集中在應用專屬軟體的設計，例如驅動功能的程式設計。另外也可產生完整的演算法，以及文件齊全的原始碼，而非使用預先編譯的函式庫。同時還可針對用戶的特定馬達迅速加以修改。馬達類型可從資料庫中選擇，或是經由設定額定電壓、相位感應率或電阻等特性來自訂，可輕鬆調整速度與電流控制的參數。
市場興起對於高效能馬達裝置與功率轉換解決方案的需求，也連帶增加了相關微控制器的需求。新款微控制器系列，為各種馬達控制方法提供了可擴充解決方案，包括BLDC馬達的霍爾感測器區塊整流、BLDC馬達或PMSM的無感測器FOC、以及FOC與功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)共用。
(本文作者任職於英飛凌)
