1 引言
电机是能耗大户。根据德国电气电子和信息技术协会(vde)2008年进行的调查，在德国，仅工业的年用电量就达2400亿度。住宅、服务类公司和交通的年用电量分别为1400亿度、1300亿度和160亿度。仅工业和家用电动变频器就占总用电量的50%。据vde调查，功率范围为1.1kw至37kw的高能效三相电机具备最大的省电潜力。在1亿台采用小型电机的家用电器中，多数电器的能效在40%至75%之间。不过，vde估计能效达到85%是有可能的。vde认为每年的节电潜力可达82亿度。德国还拥有约3000万个输出功率不足200w的加热泵，能耗约占德国用电总量的3.5%。全新的电子控制加热泵相对于采用异步电机的标准泵和定速泵，能耗分别降低50%和70%，尽管如此，许多楼宇仍然采用这些不节能的泵。低能耗的决定性因素是，这些泵始终以最理想的速度运行。这是因为泵在半速条件下运行时，能耗仅相当于全速运行时的八分之一。许多电动变频器厂商都在考虑如何壮大自己的产品阵容。原因在于能效改进趋势提高了对变频器的需求。凭借全新的xe16xl和xe16xu实时信号控制器，英飞凌为这些客户，尤其是为希望通过采用为数不多的微控制器平台提供广泛产品组合的客户，提供大力支持。
图1 xe166系列16位微控制器
2 经济高效变频器的不二之选
许多采用电机的系统需要快速处理多个外部信号。换言之，就是需要高实时性能。凭借较短的中断响应和快速上下文切换延迟时间，xe166系列成为这些精密系统的理想之选。cpu内核、外设事件控制器(pec)和外设功能经过精心设计，可确保高效的中断处理。对于采用多个电机的系统而言，其简易、快速和高效的特点显得尤为重要。无论驱动什么类型的电机和/或采用什么控制算法，利用这种搭载两个计时器(生成信号)的高能效捕获/比较(ccu6e)单元，都可完成高能效设计。
选用xe166系列(见图1)16位微控制器单元的解决方案包括用于完成泵、风扇、压缩机和暖通空调技术等相对简单控制任务的解决方案和适用于伺服变频器、数控机床、过程控制和机器人的更加复杂的解决方案。xe166器件尤其重要的应用领域是逆变器高能效控制装置。利用高能效逆变器控制装置，可为交通(叉车、工程机械、农用机械、电车)和新能源(光伏发电、风电、燃料电池等)领域开发出十分节xe166实时信号控制器经过专门设计，适用于上述各种解决方案。这些控制器具备66mips至160mips的可升级计算性能、32kb至1.6mb的嵌入式闪存、12kb至 138 kb的ram、适用于4个电机的pwm单元和具备8位、10位和12位分辨率的模数转换器、10个至30个通道、高达6个can节点以及2至10个软件定义的串口。控制器的封装选项包括38引脚至176引脚封装，适用于高达125℃的工业与汽车环境温度范围。
稳压器、额外闪存模块的eeprom模拟功能、晶振、看门狗和掉电检测等更多集成功能，有助于降低外部组件数量和系统成本(bom)。
图2 xe166l系列原理图
3 全新的xe16xu和xe16xl系列
全新的mcu系列主要面向经济高效的电机控制单元。迄今为止，这些经济高效的电机控制单元主要选用高端8位mcu或低端dsp。全新的mcu系列可以低成本提供实时性能和高计算性能。主要特性包括高dsp性能、具备同步功能的超快12位模/数转换器、高效的捕获/比较单元和不足12.5纳秒的高速pwm单元。xe166家族的这些全新低端系列具备66 mips计算性能、32kb至160kb嵌入式闪存和优化的12位sar 模/数转换器(转换时间仅为600纳秒)。封装选项包括38引脚、48引脚和64引脚封装。得益于适用于dsp操作的高效mac单元，性能出色的xe16xu和xe16xl系列壮大了英飞凌8位微控制器家族阵容。通过采用该mcu平台，可获得模/数转换功能和出色的pwm单元(ccu6)，从而确保轻松处理最复杂的外设代码。全新的xe16xu和xe16xl低端型号与操作码和外设兼容，因此，可确保轻松实现升级和现有软件的重复使用。
xe16xl(l代表低端、见图2)与xe16xu(u代表超低端、见图3)之间的区别在于闪存(160 kb vs 64kb)的容量、12位模/数转换器(19通道vs 10通道)和pwm单元(2个 vs 1个)。此外，xe16xl微控制器还具备一个高速multican模块。
图3 针对成本关键型产品优化的xe166u系列的原理图
4 高效设计
xe166家族配备全套开发工具，包括评估板、调试器、编译器和相应的文档。可利用dave(数字应用虚拟工程师)完成初始化、配置和代码生成。使用dave drive自动代码生成器(见图4)，甚至能够自动快速地生成最复杂的电机控制代码。与定制的应用套件结合使用，能够在短短15分钟之内生成适用于同步永磁电机无传感器场定向控制的代码。有经验的用户可简单地重复利用他们现有的代码，而新手则可享受快速开始设计的优势。
利用dave等配置工具，在智能向导帮助下，可完成对微控制器的编程。dave可自动生成c代码，正确驱动片上外设和中断控制装置-通过这种方式直接与编译器互操作。该工具可采用源代码(c语言或汇编语言)生成完整的算法，然后再借助标准开发环境(例如keil或tasking)对其进行编译和测试。
自动代码生成器是快速设计高能效电机的重点。利用dave drive，可通过gui自动生成电机控制代码，而无需从头开始编写数千个程序行。另外，该代码生成器可充分利用相关微控制器的性能。此外，还提供包含评估板和永磁同步电机的完整参考系统。除各种控制算法外，dave drive还支持无刷直流电机和永磁同步电机：带/不带霍尔传感器的组件换向以及无传感器的foc(磁场定向控制)。这可确保设计人员在早期能够集中精力开发变频器的具体应用软件，并大幅加速原型的生产。相对于其他配置工具，dave drive软件可生成完整算法，但却并不是基于程序库。此外，还可针对具体客户的电机灵活生成代码，从而大幅缩短开发时间，同时简化系统别差。
xe166家族不仅支持ocds调试器，还支持全新的单针调试接口。一些编译器还具备一个实时内核和模拟器。此外，altium与英飞凌合作，提供具备可更新许可证(12个月)的免费tasking xe166 c编译器。altium公司针对xe166家族专门开发的tasking c166编译器工具套件具备多种有效功能。集成式开发环境可简化对crossview pro源级调试器的调用，反过来，这又会简化与每个xe166 easykit评估板的连接。预安装的设计实例、分步说明和自动生成启动代码等其他先进工具推动开始进行设计。
图4 xe166家族配有一个完整的设计环境
5 可扩展的解决方案
除了性能和外设，还有另一个方面与可扩展性相关——即与工业网络的集成。这些工业网络至少具备三个等级：现场级、控制级和操作级。在这种情况下，xe166家族可提供适用于现场级和控制级的广泛接口和定制的解决方案。譬如，可通过多达6个串口与传感器和执行器进行通信，例如spi、uart和i2c。此外，英飞凌推出支持io-link v1.1标准的通信系统开发评估套件。io-link评估套件(见图5)可轻松地对基于io-link的整个主机配置的功能进行评估。得益于xe166 mcu(适用于主机侧)和经济高效的xc800模块(位于终端侧)的实时性能，业界首个解决方案具备高达8个io-link通道(主机上)和适用于每个通道的fifo缓冲器。最多占用xe166控制器6个can节点的canopen解决方案被认为是高效的操作级连接方式。
图5 io-link评估套件
6 每提高一个百分点都很重要
这些新的低端系列进一步增强了xe166家族的可扩展性，使其适用于广泛的高能效电机控制产品，从简易的泵变频器到最强大的伺服变频器等，不一而足。在这方面，能效即使提高一个百分点也意义重大，因为，正如本文开头如述，电机是用电大户。可扩展性的最后一个方面就是寿命！由于主要面向工业和汽车行业，英飞凌的微控制器解决方案经过专门设计，具备出色的使用寿命，可满足各个行业对长期可用性的要求。
作者简介
stephan zizala 博士，微控制器高级主管，现就职于英飞凌科技工业与多元化电子产品市场业务部 。
参考文献
[1] vde. vde-studie effizienz- und einsparpotentiale elektrischer energie. s.l. : vde, 2008．
[2] die antriebe für eine bessere zukunft. savolainen, akseli. 2004/4, s.l. : abb, 2004, abb technik, pages 34-38．
作 者：英飞凌科技股份公司 Stephan Zizala
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