全球溫度正呈現(xiàn)上升的趨勢，更加有效地利用能源成為當(dāng)務(wù)之急。降低能耗的主要對象之一是電機。據(jù)粗略統(tǒng)計，電機消耗了美國一半以上的能量。在家庭中使用的電機數(shù)量一般不下50臺，一部汽車?yán)锿ǔＳ?0至80臺電機，至于在工業(yè)領(lǐng)域，工廠自動化中應(yīng)用的電機更加比比皆是。
當(dāng)前，單片機（MCU）技術(shù)取得的進步能夠比以往任何時候都更加有效地控制電機，而成本卻更低。這種進步對市場的影響一方面加速了從機電控制到電子式控制的轉(zhuǎn)變，另一方面可以實現(xiàn)電機的變速控制，優(yōu)化電機的運行。而且，對整個市場而言，降低了元器件的整體成本。
單片機控制的無刷直流電機
與電機控制中經(jīng)常使用的有刷電機不同，單片機控制的無刷直流（BLDC）電機不存在電刷磨損和電弧，因而電機的使用壽命實質(zhì)上只受到軸承壽命的影響。此外，單片機控制的無刷直流電機系統(tǒng)的優(yōu)越性還包括：
1． 更高的效率
2． 轉(zhuǎn)矩-慣性比高
3． 能達到更高的速度
4． 聽得見的噪聲更低
5． 更高的熱效率
6． 更低的電磁干擾
大量專門針對電機控制應(yīng)用而設(shè)計的8位單片機在解決數(shù)字電機控制問題上是成本效益最高的方法之一。但在過去，集成的程度和可供選擇的產(chǎn)品一直有限。而現(xiàn)在，單片機性能高達10MIPS，具備的運動控制專用硬件包括中心對齊的14位脈寬調(diào)制器（PWM）、運動反饋模塊和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），使以往需要較昂貴處理器的應(yīng)用可以采用成本較低的8位單片機來實現(xiàn)。
某些單片機，如PIC18F4431，在進行三相PWM控制時，可用硬件實現(xiàn)對無刷直流電機所有三個相的驅(qū)動，從而最大限度地降低了軟件的開發(fā)和調(diào)試工作量。該單片機最多有8個PWM通道，而一般只需6個通道即可驅(qū)動三相電機。因此，可以用另外兩個通道來實現(xiàn)其它功能，無需再添加其它元器件。帶有正交編碼器接口的運動反饋模塊是單片機的一個組成部分，可減少元器件數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。
不僅如此，帶有一個運行速度高達200 ksps的高速ADC的單片機，可以為閉環(huán)控制提供必要的速度。在兩個不同的通道上同時采樣，可以實現(xiàn)同時對電壓和電流進行采樣。在閉環(huán)電機控制中，需要這種高速的轉(zhuǎn)換進行反電動勢的測量。ADC可在上升沿或下降沿保持與PWM同步，使開關(guān)噪聲降至最低。綜上所述，有了這些模塊就不需要任何外部的電機控制器件，如高速ADC和位置編碼器了。
在很多電機控制應(yīng)用中，故障防護操作是關(guān)鍵。帶有故障防護時鐘監(jiān)控器（其中內(nèi)部RC振蕩器在晶振失效時可以充當(dāng)備份時鐘）的單片機使設(shè)計人員得以利用可提供高可靠性的數(shù)字控制。只需利用PWM上的可編程死區(qū)時間延遲，即可最大限度地減小開關(guān)噪聲，同時還可以按時完成設(shè)計，將新產(chǎn)品投放市場；否則就需要額外增加幾周的開發(fā)時間，由此帶來的差別顯而易見。在各種情況下，具有高可靠性閃存的單片機，靈活性都很強，不僅可以讓產(chǎn)品按時上市，而且在電機安裝前或已經(jīng)投入使用后，都可以根據(jù)變化的要求進行調(diào)整。

不同的需求、推動力和解決方案
家用電器、工業(yè)和汽車這三大市場中對于電子電機控制的需要，證明具有先進的電機控制外設(shè)的單片機是大有市場的。
在家用電器市場領(lǐng)域，為了符合政府推行的計劃標(biāo)準(zhǔn)，如美國環(huán)保局旨在促進使用高效率家電的能源之星計劃，需要改進電機控制。洗衣機就是迫切需要改進電機控制的一類產(chǎn)品。直接驅(qū)動洗衣機可以不再需要電機軸與滾筒之間的連接皮帶，同時還可設(shè)置各種速度范圍和使用不同形狀的滾筒。
某洗衣機廠商對洗衣機進行了全新的設(shè)計，結(jié)果比傳統(tǒng)的洗衣機的耗電量減少了38%， 用水量減少了17%。電機控制的單片機可根據(jù)衣物的數(shù)量和類別調(diào)整電機的功率。但是，洗衣機的購買者對于購買價格仍然十分在意，因此廠商必須不斷降低其開發(fā)和生產(chǎn)成本，才能為更廣大的消費者群體提供更先進而負擔(dān)得起的洗衣機。
在家用電器中，專門為低成本電機控制應(yīng)用而設(shè)計的8位單片機集成了各種功能，大大減少了額外元器件的需求。最新單片機具備片上電機PWM、故障防護時鐘監(jiān)控器以及高度可靠的閃存，使家用電器中電機控制的設(shè)計得以簡化，并滿足降低成本的目標(biāo)。
圖1  8位單片機驅(qū)動洗衣機中三相ACIM變頻驅(qū)動器的例子。
在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，裝配線運行的用電成本與故障停機都將使利潤減少。我們用工業(yè)用泵中基于單片機的變速驅(qū)動（VSD）系統(tǒng)取代閥門為例，來說明改進控制能力將如何直接影響效率和利潤。
對于泵和風(fēng)扇而言，其功耗與轉(zhuǎn)軸速度的立方根成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)軸速度降低10%時，氣流也減小10%，但能耗減少27%！如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工業(yè)應(yīng)用的離心泵、風(fēng)扇和鼓風(fēng)機中，通過使用單片機進行變速電機控制，取代速度恒定的電機和利用閥門減小氣流的方法，可以節(jié)能25%至40%，這已得到了證明。
用單片機進行電機控制在工業(yè)應(yīng)用中的收效十分明顯。因此，究竟是否采用單片機驅(qū)動的變速電機控制只需由其它一些因素來決定，如靈活性和可靠性等可避免故障的因素。具有閃存和EEPROM存儲器的單片機可實現(xiàn)VSD電機控制，對于需要進行升級或改善控制程序等變化，其再編程能力可滿足工業(yè)用戶所需的靈活性。Microchip的PIC18F2431或PIC18F4431等單片機具有16KB閃存和256字節(jié)EEPROM，這些8位單片機的存儲器足以應(yīng)對工業(yè)環(huán)境中各種必要的變動。與之同等重要的是Microchip的閃存采用PMOS電可擦除單元（PEEC）工藝技術(shù)，其數(shù)據(jù)存儲單元的耐用性超過100萬次擦/寫周期（典型值），而數(shù)據(jù)保存期超過40年。
在汽車應(yīng)用中使用電機進行通風(fēng)、開關(guān)門窗以及移動座椅等已得到了廣泛應(yīng)用。這些不經(jīng)常使用的操作尚能容忍較低的效率，但是一些經(jīng)常使用的設(shè)備如乘客空調(diào)、發(fā)動機箱內(nèi)風(fēng)扇等，則連續(xù)不斷地消耗著汽車中有限的能量。電機控制單片機可以使空調(diào)風(fēng)扇以恰當(dāng)?shù)乃俣冗\轉(zhuǎn)來保持適宜的溫度，從而降低噪聲和功耗。
在很多情況下，用于電機控制的單片機必須利用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）或局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）協(xié)議連接到汽車網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在的車身電子設(shè)備一般采用成本較低的LIN協(xié)議以降低總系統(tǒng)成本。有些單片機系列具備增強型USART模塊，它支持LIN 1.2，同時還提供起始位的自動喚醒功能以及自動波特率檢測。

更加高效的未來
隨著控制算法在各個市場領(lǐng)域中復(fù)雜程度的不斷提高，數(shù)字電機控制器的處理能力需要從單片機的性能水平提升到數(shù)字信號處理器（DSP）的性能水平。數(shù)字信號控制器（DSC）性能更高而價格適中，采用設(shè)計人員熟悉的單片機技術(shù)，適用于更加復(fù)雜的電機控制設(shè)計，包括矢量控制設(shè)計。DSC的運行速度高達30MIPS，并具有高達144KB的閃存和電機控制專用的集成外設(shè)，可實現(xiàn)先進的新型電機控制應(yīng)用。有了基于單片機和DSC的電子電機控制，家用電器、工業(yè)控制及汽車不僅運行效率更高、功能更豐富，而價格也適中。