近年來180°電機控制因其節(jié)能、靜音及低顫動而得到廣泛的關(guān)注和應用,，尤其在家電領(lǐng)域里,，如油煙機、冰箱,、空調(diào)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(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)動的交流異步電機,，而適合使用小功率無刷直流電機進行調(diào)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(nèi),，180°電機控制具有噪聲低、效率高的優(yōu)點,。
目前市場上最先進的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轉(zhuǎn)換可以對磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制,，實現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制,，可以在不產(chǎn)生大流的情況下實現(xiàn)快速的動態(tài)響應。
2.180°電機控制在家電上的應用
?、?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(jù)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(jù)油煙量的大小,，自動調(diào)節(jié)油煙機風量;
3)在燉,、煲、蒸,、煮時，自動調(diào)小抽吸速度,，降低耗電量;
4)靜音,。讓用戶感覺不到電機運轉(zhuǎn)的噪音;5)較小體積的電機使得油煙機體積更小。
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傳統(tǒng)家用快速燃氣熱水器為了提高用戶使用的安全性,，現(xiàn)在多為封閉式燃燒的強排風熱水器，內(nèi)設(shè)鼓風裝置,，工作聲響大;此外,，由于燃器壓力不適或設(shè)置不當，經(jīng)常出現(xiàn)水不熱或水太燙,，有時在洗澡的過程也會出現(xiàn)忽冷忽熱等不適,。
180°變頻燃氣熱水器的電機運轉(zhuǎn)是按機器的實際輸出熱負荷來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，出水溫度比較恒定,，無需自己手動調(diào)整加熱速度,，180°永磁同步電機較交流異步電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此電機運轉(zhuǎn)聲音也相對較輕,。
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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(jù)傳感器感知空氣潔凈度，調(diào)節(jié)馬達的運轉(zhuǎn)帶動凈化,，節(jié)電運行,，節(jié)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(guān)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(shè)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(shè)如串行通信、強大的定時器等,。
瑞薩電子為電機控制開發(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,、定時器、多個通用寄存器,、可編程脈沖發(fā)生器,、獨立的變頻控制模塊，專用于電機控制應用的外設(shè)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(huán)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(jié)構(gòu)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(fā)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(zhuǎn)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(jīng)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(chǎn)生中斷，可根據(jù)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(tài)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(zhuǎn)動;另外還帶有可編程死區(qū)控制(死區(qū)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,?！ ?/p>
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(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現(xiàn)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(qū)動功率模塊，直接控制電機轉(zhuǎn)矩,，電機的轉(zhuǎn)速反饋采用霍爾傳感器,。
HS/DC-8驅(qū)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(yōu)勢：
? 低損耗，MCU中專用的變頻控制的定時器,，可實現(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(xiàn)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(qū)保護、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,。