180°電機控制及家電風機解決方案

　　近年來180°電機控制因其節能、靜音及低顫動而得到廣泛的關注和應用，尤其在家電領域里，如油煙機、冰箱、空調及洗衣機等。瑞薩電子目前推出了一系列變頻控制專用的8位MCU，本文主要介紹瑞薩電子8位MCU――uPD78F0712的主要特點及基于該MCU的家電風機解決方案。

　　1. 180°控制的應用場合及特點

　　目前市場上對于家用電器如熱水器、油煙機等一般要求其具有低噪聲、低損耗、省電節能的特征，因此，類似的這些場合并不適宜使用變頻器驅動的交流異步電機，而適合使用小功率無刷直流電機進行調速。

　　無刷直流電機分為方波控制(120°控制)的BLDC和正弦波控制(180°控制)的PMSM永磁同步電機。下表是各個電機控制特點比較：

　　表1 電機控制特點

　　由上表可以看出，在小功率電機范圍內，180°電機控制具有噪聲低、效率高的優點。

　　目前市場上最先進的180°控制技術是基于磁場定向矢量的變頻技術，FOC(磁場定向)矢量控制算法產生矢量形式相電壓，用來控制定子電流，其控制原理是通過一定的坐標轉換可以對磁通和轉矩直接控制，實現電流和轉速的雙閉環控制，可以在不產生大流的情況下實現快速的動態響應。

　　2.180°電機控制在家電上的應用

　　① 油煙機

　　目前，市場上比較常見的是有檔位變頻油煙機，只有少部分的油煙機廠商開始采用180°電機控制的無檔位變頻油煙機。

　　相對于其他類型的變頻油煙機，180°變頻油煙機有以下特點：

　　1)可根據傳感器識別有無油煙，智能啟動和停止油煙機的抽吸，無需手動操作;

　　2)在炒、煎、炸時可根據油煙量的大小，自動調節油煙機風量;

　　3)在燉、煲、蒸、煮時，自動調小抽吸速度，降低耗電量;

　　4)靜音。讓用戶感覺不到電機運轉的噪音;5)較小體積的電機使得油煙機體積更小。

　　②熱水器

　　傳統家用快速燃氣熱水器為了提高用戶使用的安全性，現在多為封閉式燃燒的強排風熱水器，內設鼓風裝置，工作聲響大;此外，由于燃器壓力不適或設置不當，經常出現水不熱或水太燙，有時在洗澡的過程也會出現忽冷忽熱等不適。

　　180°變頻燃氣熱水器的電機運轉是按機器的實際輸出熱負荷來調節轉速，出水溫度比較恒定，無需自己手動調整加熱速度，180°永磁同步電機較交流異步電機運轉平穩，因此電機運轉聲音也相對較輕。

　　③空氣凈化器

　　市面上普通的空氣凈化器存在噪聲大，長時間開啟比較耗電的問題。在成本相同的情況下，180°變頻空氣凈化器馬達噪聲低，而且會自動根據傳感器感知空氣潔凈度，調節馬達的運轉帶動凈化，節電運行，節省電能。

　　相比之下，不難看出180度電機控制的前景比較好，盡管變頻電機控制成本比較高，但是它的高性能、靜音、低損耗，為它的有利推廣提供保駕護航的條件，越來越多的家電制造商，開始關注和投資180°電機控制，用以提高家電電器效率和降低噪音。

　　3.瑞薩電子(Renesas Electronics) 8位MCU促進馬達設計

　　180°變頻馬達里對電機采用的是矢量控制來達到變頻目的，因此，對MCU的要求高，如油煙機、熱水器、空氣凈化器等需要更多的附屬功能如液晶顯示、延時控制等，MCU還需要一些特有的外設如串行通信、強大的定時器等。

　　瑞薩電子為電機控制開發了包括78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等一系列的8位MCU。該系列產品集成了內部硬件乘法器、定時器、多個通用寄存器、可編程脈沖發生器、獨立的變頻控制模塊，專用于電機控制應用的外設使其更適合中小功率的180°變頻電機。

　　在180°變頻電機控制算法中要用到坐標變換及逆變換、乘法運算和大量的循環控制，因此需求MCU的速度要快，瑞薩電子8位MCU的硬件乘法/除法器都能夠快速進行FOC矢量控制運算，及PID跌代、坐標變換。

　　該系列8位MCU有6個外部中斷，能夠快速響應外部中斷，如傳感器的反饋信息等，極大的降低了電機控制方案的成本，它有32個8位(或16個16位)Bank結構的通用寄存器，使得運行效率更高。

　　180°變頻電機一般用于中高檔的家用電器中，瑞薩電子8位MCU可編程脈沖發生器(PPG)能指定脈沖寬度和脈沖周期，這可直接用于家電風機轉速和風量顯示，同時MCU提供在線自編程功能，還有這些MCU無需外部EEPROM，它自身的已經夠用。

　　此外，瑞薩電子的這些8位MCU 帶有2個專用變頻控制模塊，可以在PWM周期的任意時刻產生中斷，可根據用戶需求在任意時刻對電流進行采樣;可用于控制PWM高阻態輸出的外部信號輸入，可以在非正常情況下快速停止風扇轉動;另外還帶有可編程死區控制(死區時間范圍：0.1 s～25.6 s)。

　　圖2顯示了8位變頻控制MCU的主要特點，表2則這些功能給出了詳細說明。　　

圖2 瑞薩電子的MCU特點

表2 變頻控制用的8位MCU特點

　　瑞薩電子180°變頻電機控制方案

　　瑞薩電子(Renesas Electronics)開發了一套基于8位MCU uPD78F071x的特有的功能的

　　180°矢量控制方案HS/DC-8，圖2為系統構成。　　

圖2 HS/DC-8系統構成

　　HS/DC-8利用8位MCU的特有的硬件功能來實現180°矢量控制(FOC)，通過反饋速度計算出矢量控制的PWM占空比的值，用空間矢量PWM(SVPWM)輸出驅動功率模塊，直接控制電機轉矩，電機的轉速反饋采用霍爾傳感器。

　　HS/DC-8驅動器適用于額定容量為20W~1KW小功率電機，6~120Hz的電氣角頻率，永磁磁通0.5Wb以下。

　　相比其他半導體廠商MCU HS/DC-8的馬達控制方案具有以下優勢：

　　? 低損耗，MCU中專用的變頻控制的定時器，可實現兩相調制的低損耗PWM方式，可將逆變器中的功率開關管損耗降低30%左右，從而延長驅動器壽命；

　　? 高效率、低噪聲，由于MCU的硬件乘法器可以快速的實現180°矢量控制算法，方案中又加入了自動相位控制，確保馬達電流始終保持在最小值進行自動控制；

　　? 豐富的保護和定制功能，依賴于MCU中強大的定時器功能、豐富的IO功能和AD功能，例如死區保護、霍爾類型選定、頻率反饋脈沖數的選定、PWM初始化異常檢測、過壓保護等；

　　? 低成本，8位MCU節省外部的EEPROM和內部的硬件捕獲單元，使得MCU成本降低。