许多厨房与车库电器、电动工具以及其他小家电中使用的传统通用电动机一般都不能精确地控制速度。电动机只能关或开。通过数字电源管理实现精确可调速度控制的方法具有显著优点，如耗电量降低、安全性提高、工具寿命延长、更易用和操作控制改善。这种方法还最大程度低减少了电器开关时产生的可导致电路断开的电涌。历史上，对于许多消费类电器而言，实现智能电机控制的主要障碍是成本。下面将介绍一种使用 ZiLOG 公司 Z8 Encore! XP 8-Pin Flash 微控制器经济地实现可调速度通用电机的新方法。同时还将介绍如何利用创新的芯片上集成数字模块和先进的模拟硬件模块，以及尽可能少的外部组件和固件实现速度控制和故障停机功能。

解决成本与复杂性问题

构建这种系统所需的组件非常昂贵，以至于不能用于价格敏感的消费类电器上。另外，快速过电流检测、故障控制、系统可靠性与有效性等电机控制相关问题也带来一些独特的工程难题。

现在已经开发出电机控制专用微控制器 (MCU)。这种微控制器一般是把 8 位计算引擎、模数转换器（ADC）、比较器、计数器、定时器以及其他电路集成起来控制电机速度，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。ZiLOG 的 Z8 Encore! XP 8-Pin Flash 微控制器就是为满足这种需求设计的，它提供了最佳性能以及全面的高级功能，后者能够简化通用电机控制中闭环控制设计的实现过程。

一种最佳方法

Z8 Encore! XP Flash MCU 是在 ZiLOG 公司先进的 eZ8 8-bit CPU 内核的基础上构建的，特别适合通用电机控制。图 1 说明了能够实现多种增强控制功能和降低总体系统成本的一套丰富的芯片上集成模拟外围设备。

图1 Z8Encore!原理图(略)

10 位 ADC 能够提供最多四个单端/差分通道和一个可选的 1X 差分输入缓冲区。另外，ADC 模块还在芯片上集成了一个低功率运算放大器，因此，不需要另外的外部组件就能够获得高精度电流测量。

MCU 的两个配置了 PWM 以及采集与比较功能的增强 16 位定时器模块结合多通道 ADC 可以同时操作两个负载（例如两个电机），同时，直接 LED 驱动输出可用于在出现预定义的事件时触发 LED 而不需要额外的硬件。其他设备配置还包括一个集成的模拟比较器、一套用于确保可靠工作的“防故障”振荡器机制、一个芯片上集成的温度传感器和最多 128B 的 NVDS。图 2 是使用 ZiLOG Z8 Encore! XP Flash MCU 的通用电机框图。

图2 通用电机控制系统原理图（略）

主要电机控制功能

ZiLOG 的解决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芯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。

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。这种功能还能够防止可导致电路断开以致不仅关断刚打开的电器而且还关断正在使用的其他电器的需电量突变。

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（见图 2），以调整书送给电机的功率。在这种软启动设计中，使用 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%)，然后电机过渡到正常满速运转。

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多种，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。如果不小心保护，过电流故障可导致电器损毁。无论过电流的原因是什么，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是完全关断整个系统。如果这种方法不能解决问题，那么再关断系统。

在 ZiLOG 公司的电机控制器设计方案中通过一个感应电阻测量电机电流（图 2）并把信号送到芯片上集成的 ADC。过电流域值是可设置的。当电流达到这个域值时，一个中断服务例程将启动，然后输送到 TRIAC 的触发脉冲终止，系统关断。

过零点

为了控制电机速度，TRIAC 的触发角必须与交流电路电压同步。这就要求测定这种信号的过零时刻。在 ZiLOG 的电机控制设计中使用了一个芯片上集成的模拟比较器，因此不必再使用外部组件，这有助于降低成本和系统复杂性。图 3 是用来实现可调速度控制的各种 TRIAC 触发角。在所示应用中，TRIAC 的触发角分辨率为 9 。

图3 TRAC触发角（略）


结论

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，其主要原因是成本和系统复杂性。通过数字电源管理实现精确可调速度控制的方法具有显著优点，如耗电量降低、安全性提高、工具寿命延长、更易用和操作控制改善。这种方法还能够防止启动电器时可能出现的、令人烦恼且具有潜在破坏性的、可导致电路断开的电涌。ZiLOG的 Z8 Encore! XP Flash MCU 采用了芯片上集成数字模块和先进的模拟硬件模块，它提供了一种通用电机控制方案，能够解决阻碍大量价格敏感电器上智能控制的成本与复杂性问题。