過去的十年里，洗衣機(jī)、冰箱和洗碗機(jī)等白色家電的設(shè)計(jì)已經(jīng)朝著積極的新方向發(fā)展。盡管“How clean? How fast? How cold?”等性能指標(biāo)仍然重要，但現(xiàn)在家電的設(shè)計(jì)目標(biāo)還要加入包括能源效率、安全性，以及在高端模型中，還包括互聯(lián)網(wǎng)連通性。

歐盟、美國(guó)以及許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)制定了能效標(biāo)準(zhǔn)，如按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，例如洗衣機(jī)的年均能耗降低到約150千瓦時(shí)。每個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化在降低能耗方面都有作用，但MCU執(zhí)行優(yōu)化電機(jī)能源使用的復(fù)雜電機(jī)控制算法的任務(wù)至關(guān)重要。

無刷直流電機(jī)（BLDC）控制

對(duì)能效的積極目標(biāo)正在推動(dòng)電機(jī)從內(nèi)置位置傳感器向無傳感器的無刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）轉(zhuǎn)型。BLDC電機(jī)控制涉及一些設(shè)計(jì)復(fù)雜性。PMSM的控制更為復(fù)雜和需要計(jì)算，通常在高端家電和工業(yè)電機(jī)控制中使用。

使用交流電的BLDC電機(jī)將永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，線圈則設(shè)置在定子上。磁體創(chuàng)造出轉(zhuǎn)子磁通；通電的定子線圈創(chuàng)造出電磁極。通過通電到定子相位（比如，對(duì)于3相電來說，則是一個(gè)120°的矩形波），就可以在定子上創(chuàng)造一個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。

轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)場(chǎng)之間的空間關(guān)系必須被緊密控制才能產(chǎn)生扭矩。這種同步需要知道轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子上的極數(shù)越多，同樣的電流下通常產(chǎn)生的扭矩越大，但如果磁體間隙縮小過多，這個(gè)優(yōu)勢(shì)最終會(huì)消失。

MCU供應(yīng)商提供大量的軟件開發(fā)支持，使MCU能夠在轉(zhuǎn)子靜止時(shí)以及高速旋轉(zhuǎn)時(shí)感知轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)向使用BLDC控制的無傳感器電機(jī)還需要特定的硬件，要么是在電機(jī)控制卡上的設(shè)備，要么是集成到MCU自身中。這種硬件包括：快速的3相脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）輸出定時(shí)器；專用的高速比較器用于過流檢測(cè)和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)；D/A轉(zhuǎn)換器；可編程增益放大器（PGA）和變量增益因素；以及快速運(yùn)算放大器。

典型的雙通道高速比較器通常使用PGA輸出作為在一個(gè)通道的輸入信號(hào)，它可以進(jìn)行BLDC逆變器電路的過流檢測(cè)。另外一個(gè)比較器通道允許用戶來選擇快速定位任何正負(fù)輸入的組合以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)和管理電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。

PMSM控制

BLDC電機(jī)和PMSM電機(jī)都使用永磁體建立在轉(zhuǎn)子上和線圈建立在定子上。它們主要的不同在于由逆變器供應(yīng)給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)：BLDC電機(jī)受到矩形（或者在某些情況下是梯形）波形的控制，PMSM電機(jī)則是受到匹配每個(gè)電機(jī)線圈的反電動(dòng)勢(shì)波形的正弦波形的控制。

用來控制PMSM電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制（FOC）技術(shù)需要比BLDC的矩形和梯形控制方案更大的計(jì)算能力。這意味著更高的MCU時(shí)鐘頻率，32位架構(gòu)，多個(gè)ADC，更多的集成ROM用于軟件庫(kù)，以及設(shè)備上更多的引腳。

開發(fā)人員可以通過使用套件中包含的LCD和搖桿的演示來熟悉設(shè)計(jì)過程?？梢哉{(diào)整或改變并用于控制PMSM電機(jī)的參數(shù)包括：

實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)矩，通量，和速度的PID

反電動(dòng)勢(shì)觀察器增益調(diào)整（用于無傳感器控制）

目標(biāo)速度變動(dòng)（速度控制）或目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和通量（轉(zhuǎn)矩控制）

總線電壓和功率級(jí)溫度監(jiān)控

選擇變量以實(shí)現(xiàn)DAC功能實(shí)現(xiàn)的輸出

除了能源效率，標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)也發(fā)布了白色家電的質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEC/UL 60730為保護(hù)用戶免受傷害和保護(hù)設(shè)備免受損壞，設(shè)置了硬件和軟件方面的標(biāo)準(zhǔn)。具體來說，IEC/UL 60730詳細(xì)約定了測(cè)試和診斷方法，確保嵌入式控制硬件和應(yīng)用于家電的軟件的運(yùn)行是安全的。

白色家電需要滿足IEC 60730 Class B遵從性，它有兩個(gè)簡(jiǎn)單的部分：阻止受控設(shè)備非安全運(yùn)行的能力；以及，軟件包括在家電發(fā)生故障時(shí)防止危險(xiǎn)的代碼。

MCU需要在啟動(dòng)后和運(yùn)行階段定期執(zhí)行特定的軟件測(cè)試，來確保系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)運(yùn)行。這些包括CPU和RAM測(cè)試；ROM/flash測(cè)試；時(shí)鐘測(cè)試；以及外圍設(shè)備測(cè)試。圖3辨識(shí)了需要被識(shí)別和糾正以便遵從IEC/UL 60670的MCU硬件子系統(tǒng)或功能的故障類型。

ROM/Flash測(cè)試基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），它可以識(shí)別所有的單位錯(cuò)誤和大部分的多位錯(cuò)誤。用作校驗(yàn)數(shù)的CRC值可以在軟件中計(jì)算，通過查找表或位移操作；查找表需要更多的代碼空間但節(jié)省了CPU周期。

雖然測(cè)試是在軟件中執(zhí)行的，是使用軟件測(cè)試，但在許多情況下，如果有更多的外圍設(shè)備集成到MCU中，也仍要再次測(cè)試。其中最重要的外圍器件包括：

糾錯(cuò)碼（ECC）Flash

死機(jī)定時(shí)器（DMT）

窗口看門狗定時(shí)器（WWDT）

備用系統(tǒng)振蕩器

WWDT至關(guān)重要，因?yàn)樗ＷC了MCU的控制算法的正確執(zhí)行。對(duì)于Class-B設(shè)備，WWDT需要滿足四個(gè)要求：它必須有一個(gè)單獨(dú)的基于時(shí)間的振蕩器；它不能通過軟件被禁用，它必須實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位；以及，必須有對(duì)初始化和/或硬件復(fù)位后獲取安全I(xiàn)/O狀態(tài)的預(yù)案。

歐盟以及其它諸如國(guó)家和地方政府機(jī)構(gòu)發(fā)布的能源和安全目標(biāo)使得白色家電的設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜。達(dá)到這些目標(biāo)必須要向使用BLDC和PMSM電機(jī)的無傳感器電機(jī)控制設(shè)計(jì)遷移。軟件開發(fā)工具和庫(kù)與MCU上的外圍集成物一樣重要。供應(yīng)商們已經(jīng)開發(fā)了多種解決方案，包括16位和32位的MCU。在一些情況下，DSP能力也被包含以便實(shí)現(xiàn)更快的算法執(zhí)行。