隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，180°電機(jī)控制越來越多在各種領(lǐng)域的應(yīng)用,，尤其在家電領(lǐng)域里,。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(diǎn)及基于該MCU的家電風(fēng)機(jī)解決方案。

1. 180°控制的應(yīng)用場合及特點(diǎn)

目前市場上對于家用電器如熱水器,、油煙機(jī)等一般要求其具有低噪聲,、低損耗、省電節(jié)能的特征，因此,，類似的這些場合并不適宜使用變頻器驅(qū)動(dòng)的交流異步電機(jī),，而適合使用小功率無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

無刷直流電機(jī)分為方波控制的BLDC和正弦波控制的PMSM永磁同步電機(jī),。下表是各個(gè)電機(jī)控制特點(diǎn)比較：

表1 電機(jī)控制特點(diǎn)



由上表可以看出,，在小功率電機(jī)范圍內(nèi)，180°電機(jī)控制具有噪聲低,、效率高的優(yōu)點(diǎn),。

目前市場上最先進(jìn)的180°控制技術(shù)是基于磁場定向矢量的變頻技術(shù)，F(xiàn)OC（磁場定向）矢量控制算法產(chǎn)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(biāo)轉(zhuǎn)換可以對磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，實(shí)現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制,，可以在不產(chǎn)生大流的情況下實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),。

2.180°電機(jī)控制在家電上的應(yīng)用

① 油煙機(jī)

油煙機(jī)，系家庭廚房為吸凈烹調(diào)時(shí)所產(chǎn)生的油煙之類用電器,，不僅能 很好完成功能性的作用外,，應(yīng)具備融合現(xiàn)代廚房格局的裝飾概念。 經(jīng)過油煙機(jī)的發(fā)展,，油煙機(jī)已經(jīng)不局限于廚房除油煙的簡單工具了,，而是增加較多的娛樂功能和使用功能，如增加了電視顯示器的娛樂油煙機(jī),，增加了與智能家居為一體的安防系統(tǒng)的油煙機(jī),，安裝了網(wǎng)絡(luò)控制的網(wǎng)絡(luò)油煙機(jī)等。

吸油煙機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮到易于有效清除積聚起來的油脂和污垢,，應(yīng)盡量做到外殼表面光滑平整,。通常吸油煙機(jī)需固定在墻上使用，所以除有鍵,、孔槽,、鉤等外,，還要求它應(yīng)有合適的裝置將其固定在墻上,，同時(shí)這種裝置應(yīng)由不易移動(dòng)或不易變形的金屬制成。

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

相對于其他類型的變頻油煙機(jī),，180°變頻油煙機(jī)有以下特點(diǎn)：

1）可根據(jù)傳感器識別有無油煙,，智能啟動(dòng)和停止油煙機(jī)的抽吸，無需手動(dòng)操作,；

2）在炒,、煎,、炸時(shí)可根據(jù)油煙量的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)油煙機(jī)風(fēng)量,；

3）在燉,、煲、蒸,、煮時(shí),，自動(dòng)調(diào)小抽吸速度，降低耗電量,；

4）靜音,。讓用戶感覺不到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音；5）較小體積的電機(jī)使得油煙機(jī)體積更小,。

②熱水器

傳統(tǒng)家用快速燃?xì)鉄崴鳛榱颂岣哂脩羰褂玫陌踩?，現(xiàn)在多為封閉式燃燒的強(qiáng)排風(fēng)熱水器，內(nèi)設(shè)鼓風(fēng)裝置,，工作聲響大,；此外，由于燃器壓力不適或設(shè)置不當(dāng),，經(jīng)常出現(xiàn)水不熱或水太燙,，有時(shí)在洗澡的過程也會出現(xiàn)忽冷忽熱等不適。

180°變頻燃?xì)鉄崴鞯碾姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是按機(jī)器的實(shí)際輸出熱負(fù)荷來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,，無需自己手動(dòng)調(diào)整加熱速度,，180°永磁同步電機(jī)較交流異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音也相對較輕,。

③空氣凈化器

空氣凈化器（又稱“空氣清潔器”,、空氣清新機(jī)），是指能夠吸附,、分解或轉(zhuǎn)化各種空氣污染物（一般包括粉塵,、花粉、異味,、甲醛之類的裝修污染,、細(xì)菌、過敏原等）,，有效提高空氣清潔度的產(chǎn)品,，目前以清除室內(nèi)空氣污染的家用和商用空氣凈化器為主。

市面上普通的空氣凈化器存在噪聲大,，長時(shí)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(dá)噪聲低，而且會自動(dòng)根據(jù)傳感器感知空氣潔凈度,，調(diào)節(jié)馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)凈化,，節(jié)電運(yùn)行，節(jié)省電能,。

相比之下,，不難看出180度電機(jī)控制的前景比較好，盡管變頻電機(jī)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(hù)航的條件,，越來越多的家電制造商，開始關(guān)注和投資180°電機(jī)控制,，用以提高家電電器效率和降低噪音,。

選購空氣凈化器，無非都是想用其來換取健康清新的空氣,。把以一臺空氣凈化器是否安全,，是決定其是否可取的基本前提條件?？諝鈨艋鞯耐鈿?、機(jī)芯與凈化技術(shù)，將會直接影響著空氣凈化器的安全性,。凈化技術(shù),，應(yīng)選擇與自然界中的正負(fù)離子一樣，并有國外13家機(jī)構(gòu)認(rèn)證其安全性的離子凈化技術(shù),。

國際通行的空氣凈化原理有五種,，物理式、靜電式,、化學(xué)式,、負(fù)離子式和復(fù)合式。一般來說,，同時(shí)使用多種凈化方式的空氣凈化器,，其凈化效果會更佳。例如灰塵,、 異味,、花粉等大顆粒物質(zhì),，可以通過物理凈化方式來過濾,；而過敏物質(zhì)、病毒、甲醛等有害物質(zhì),，則需要化學(xué)凈化方式來凈化,。

按凈化方式從能動(dòng)的方向來分，凈化方式從能動(dòng)的方向來分,，又有主動(dòng)凈化方式（空中凈化）和被動(dòng)凈化方式（定點(diǎn)凈化）和主被動(dòng)復(fù)合凈化三種,。被動(dòng)凈化方式只 對吸入的空氣有凈化效果；主動(dòng)的凈化方式對整個(gè)空間都會有凈化效果,。主被動(dòng)復(fù)合凈化是兩者的相結(jié)合,，效果也更加好。

3.瑞薩電子8位MCU促進(jìn)馬達(dá)設(shè)計(jì)

180°變頻馬達(dá)里對電機(jī)采用的是矢量控制來達(dá)到變頻目的,，因此,，對MCU的要求高，如油煙機(jī),、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(shí)控制等,，MCU還需要一些特有的外設(shè)如串行通信,、強(qiáng)大的定時(shí)器等。

瑞薩電子為電機(jī)控制開發(fā)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(chǎn)品集成了內(nèi)部硬件乘法器,、定時(shí)器,、多個(gè)通用寄存器、可編程脈沖發(fā)生器,、獨(dú)立的變頻控制模塊,，專用于電機(jī)控制應(yīng)用的外設(shè)使其更適合中小功率的180°變頻電機(jī)。

在180°變頻電機(jī)控制算法中要用到坐標(biāo)變換及逆變換,、乘法運(yùn)算和大量的循環(huán)控制,，瑞薩電子8位MCU的硬件乘法/除法器都能夠快速進(jìn)行FOC矢量控制運(yùn)算，及PID跌代,、坐標(biāo)變換,。

該系列8位MCU有6個(gè)外部中斷，能夠快速響應(yīng)外部中斷,，如傳感器的反饋信息等,，極大的降低了電機(jī)控制方案的成本,，它有32個(gè)8位Bank結(jié)構(gòu)的通用寄存器，使得運(yùn)行效率更高,。

180°變頻電機(jī)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(fā)生器能指定脈沖寬度和脈沖周期，這可直接用于家電風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)量顯示,，同時(shí)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(jīng)夠用,。

此外,，瑞薩電子的這些8位MCU 帶有2個(gè)專用變頻控制模塊，可以在PWM周期的任意時(shí)刻產(chǎn)生中斷,，可根據(jù)用戶需求在任意時(shí)刻對電流進(jìn)行采樣,，可用于控制PWM高阻態(tài)輸出的外部信號輸入，可以在非正常情況下快速停止風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng),；另外還帶有可編程死區(qū)控制,。

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



 

圖2 瑞薩電子的MCU特點(diǎn)





 





表2 變頻控制用的8位MCU特點(diǎn)

瑞薩電子180°變頻電機(jī)控制方案

瑞薩電子開發(fā)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(tǒng)構(gòu)成。



圖2 HS/DC-8系統(tǒng)構(gòu)成

HS/DC-8利用8位MCU的特有的硬件功能來實(shí)現(xiàn)180°矢量控制（FOC）,，通過反饋速度計(jì)算出矢量控制的PWM占空比的值,，用空間矢量PWM（SVPWM）輸出驅(qū)動(dòng)功率模塊，直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩,，電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋采用霍爾傳感器,。

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

相比其他半導(dǎo)體廠商MCU HS/DC-8的馬達(dá)控制方案具有以下優(yōu)勢：

低損耗，MCU中專用的變頻控制的定時(shí)器,，可實(shí)現(xiàn)兩相調(diào)制的低損耗PWM方式,，可將逆變器中的功率開關(guān)管損耗降低30%左右，從而延長驅(qū)動(dòng)器壽命

高效率,、低噪聲,，由于MCU的硬件乘法器可以快速的實(shí)現(xiàn)180°矢量控制算法，方案中又加入了自動(dòng)相位控制,，確保馬達(dá)電流始終保持在最小值進(jìn)行自動(dòng)控制

豐富的保護(hù)和定制功能,，依賴于MCU中強(qiáng)大的定時(shí)器功能、豐富的IO功能和AD功能,，例如死區(qū)保護(hù),、霍爾類型選定,、頻率反饋脈沖數(shù)的選定、PWM初始化異常檢測,、過壓保護(hù)等

低成本,，8位MCU節(jié)省外部的EEPROM和內(nèi)部的硬件捕獲單元,，使得MCU成本降低