基于瑞萨电子8位MCU的180°电机控制在家电上应用

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    * 基于瑞萨电子8位MCU的180°电机控制在家电上应用

近年来180°电机控制因其节能、静音及低颤动而得到广泛的关注和应用，尤其在家电领域里，如油烟机、冰箱、空调及洗衣机等。瑞萨电子目前推出了一系列变频控制专用的8位MCU，本文主要介绍瑞萨电子8位MCU――uPD78F0712的主要特点及基于该MCU的家电风机解决方案。

1. 180°控制的应用场合及特点

目前市场上对于家用电器如热水器、油烟机等一般要求其具有低噪声、低损耗、省电节能的特征，因此，类似的这些场合并不适宜使用变频器驱动的交流异步电机，而适合使用小功率无刷直流电机进行调速。

无刷直流电机分为方波控制（120°控制）的BLDC和正弦波控制（180°控制）的PMSM永磁同步电机。下表是各个电机控制特点比较：

表1 电机控制特点

由上表可以看出，在小功率电机范围内，180°电机控制具有噪声低、效率高的优点。目前市场上最先进的180°控制技术是基于磁场定向矢量的变频技术，FOC(磁场定向)矢量控制算法产生矢量形式相电压，用来控制定子电流，其控制原理是通过一定的坐标转换可以对磁通和转矩直接控制，实现电流和转速的双闭环控制，可以在不产生大流的情况下实现快速的动态响应。

2．180°电机控制在家电上的应用

油烟机

目前，市场上比较常见的是有档位变频油烟机，只有少部分的油烟机厂商开始采用180°电机控制的无档位变频油烟机。

相对于其他类型的变频油烟机，180°变频油烟机有以下特点：

1）可根据传感器识别有无油烟，智能启动和停止油烟机的抽吸，无需手动操作；
2）在炒、煎、炸时可根据油烟量的大小，自动调节油烟机风量；
3）在炖、煲、蒸、煮时，自动调小抽吸速度，降低耗电量；
4）静音。让用户感觉不到电机运转的噪音；
5）较小体积的电机使得油烟机体积更小。

热水器

传统家用快速燃气热水器为了提高用户使用的安全性，现在多为封闭式燃烧的强排风热水器，内设鼓风装置，工作声响大；此外，由于燃器压力不适或设置不当，经常出现水不热或水太烫，有时在洗澡的过程也会出现忽冷忽热等不适。

180°变频燃气热水器的电机运转是按机器的实际输出热负荷来调节转速，出水温度比较恒定，无需自己手动调整加热速度，180°永磁同步电机较交流异步电机运转平稳，因此电机运转声音也相对较轻。

空气净化器

市面上普通的空气净化器存在噪声大，长时间开启比较耗电的问题。在成本相同的情况下，180°变频空气净化器马达噪声低，而且会自动根据传感器感知空气洁净度，调节马达的运转带动净化，节电运行，节省电能。

相比之下，不难看出180度电机控制的前景比较好，尽管变频电机控制成本比较高，但是它的高性能、静音、低损耗，为它的有利推广提供保驾护航的条件，越来越多的家电制造商，开始关注和投资180°电机控制，用以提高家电电器效率和降低噪音。

3．瑞萨电子(Renesas Electronics) 8位MCU促进马达设计

180°变频马达里对电机采用的是矢量控制来达到变频目的，因此，对MCU的要求高，如油烟机、热水器、空气净化器等需要更多的附属功能如液晶显示、延时控制等，MCU还需要一些特有的外设如串行通信、强大的定时器等。

瑞萨电子为电机控制开发了包括78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等一系列的8位MCU。该系列产品集成了内部硬件乘法器、定时器、多个通用寄存器、可编程脉冲发生器、独立的变频控制模块，专用于电机控制应用的外设使其更适合中小功率的180°变频电机。

在180°变频电机控制算法中要用到坐标变换及逆变换、乘法运算和大量的循环控制，因此需求MCU的速度要快，瑞萨电子8位MCU的硬件乘法/除法器都能够快速进行FOC矢量控制运算，及PID跌代、坐标变换。

该系列8位MCU有6个外部中断，能够快速响应外部中断，如传感器的反馈信息等，极大的降低了电机控制方案的成本，它有32个8位（或16个16位）Bank结构的通用寄存器，使得运行效率更高。

180°变频电机一般用于中高档的家用电器中，瑞萨电子8位MCU可编程脉冲发生器（PPG）能指定脉冲宽度和脉冲周期，这可直接用于家电风机转速和风量显示，同时MCU提供在线自编程功能，还有这些MCU无需外部EEPROM，它自身的已经够用。


此外，瑞萨电子的这些8位MCU带有2个专用变频控制模块，可以在PWM周期的任意时刻产生中断，可根据用户需求在任意时刻对电流进行采样；可用于控制PWM高阻态输出的外部信号输入，可以在非正常情况下快速停止风扇转动；另外还带有可编程死区控制(死区时间范围：0.1 s～25.6 s)。

图2显示了8位变频控制MCU的主要特点，表2则这些功能给出了详细说明。


图2 瑞萨电子的MCU特点

表2 变频控制用的8位MCU特点

瑞萨电子180°变频电机控制方案

瑞萨电子(Renesas Electronics)开发了一套基于8位MCU uPD78F071x的特有的功能的180°矢量控制方案HS/DC-8，图2为系统构成。


图3 HS/DC-8系统构成
HS/DC-8利用8位MCU的特有的硬件功能来实现180°矢量控制(FOC)，通过反馈速度计算出矢量控制的PWM占空比的值，用空间矢量PWM（SVPWM）输出驱动功率模块，直接控制电机转矩，电机的转速反馈采用霍尔传感器。

HS/DC-8驱动器适用于额定容量为20W~1KW小功率电机，6~120Hz的电气角频率，永磁磁通0.5Wb以下。

相比其他半导体厂商MCU HS/DC-8的马达控制方案具有以下优势：

· 低损耗，MCU中专用的变频控制的定时器，可实现两相调制的低损耗PWM方式，可将逆变器中的功率开关管损耗降低30％左右，从而延长驱动器寿命

· 高效率、低噪声，由于MCU的硬件乘法器可以快速的实现180°矢量控制算法，方案中又加入了自动相位控制，确保马达电流始终保持在最小值进行自动控制

· 丰富的保护和定制功能，依赖于MCU中强大的定时器功能、丰富的IO功能和AD功能，例如死区保护、霍尔类型选定、频率反馈脉冲数的选定、PWM初始化异常检测、过压保护等

· 低成本，8位MCU节省外部的EEPROM和内部的硬件捕获单元，使得MCU成本降低。