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张宏强 应用工程师，世强电讯
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。 
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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。 |
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2．180°电机控制在家电上的应用
① 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。 ②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。 ③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。 |
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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 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 |
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MCU特点
说明 对180°变频油烟机的好处 强大的定时器功能 8位宽度的可编程死区 8位和16位功能丰富的定时器 （外部事件计数器、方波输出、PWM输出、脉冲宽度测量、单脉冲触发器） 丰富的电机控制扩展功能、、死区可适应不同的功率开关管、定制个性化的延时油烟抽吸功能 变频专用模块 带AD触发功能 在PWM周期中的任意时刻可产生2个自由中断 电机变频控制、电流采样过流保护、保护油烟机的风扇轴承因污物而堵转 硬件乘法/除法器 乘法器：16位x16位，除法器32位/16位 加速电机180°矢量控制算法，加强运算能力 10-bit ADC 3.6us的转换时间，AD转换功能，电源低电压检测功能 满足油烟机内部电机AD采样功能，可检测油烟传感器信号强弱判断油烟量 实时输出端口 在IO口上实时输出6bit或者4bit数据 可定制个性化功能 多个通用寄存器 32x8bit或者16x16bit 可提高程序运行效率 多个外部中断输入 6个外部中断输入，可编程边缘检测 省却捕获单元，检测速度反馈 自编程功能 对flash进行在线自编程 可以在线存储油烟机设置参数，省却外部EEPROM，节省成本和空间 可编程脉冲发生器 PPG 脉冲频率可设定，脉冲宽度可设定 Programmable pulse generator 可用于风扇转速反馈显示 马达紧急停车 外部信号输入控制PWM高阻态输出 无须软件直接硬件控制，非正常情况下快速停止风扇运转 表2 变频控制用的8位MCU特点 |
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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2 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 世强电讯的技术支持 瑞萨电子授权代理商世强电讯可以针对该系列产品提供以下技术支持服务： 应用咨询：在一些工业或者消费类的产品上面，世强电讯可根据客户的实际情况提供电机使用环节的建议，例如使用什么样的电机可以达到节能、成本最低的效果。 方案设计：用户实际应用HS/DC-8的方案时，需要在产品中对HS/DC-8的功能进行增加或者删减，以便实现更多的功能和减少不必要的成本。世强电讯可帮助客户在产品设计中，考虑HS/DC-8的方案更改，为产品量身订制特定的方案。 硬件参考设计：HS/DC-8可以提供硬件参考设计并且给用户预备了功能丰富的外部硬件接口，但实际用户使用时需要设计产品自身的硬件接口以便能对HS/DC-8进行外部的控制。例如可以增加通讯硬件功能，人机界面硬件功能。 软件设计：HS/DC-8已经提供了丰富的保护和定制功能，以适应用户不同的马达系统，世强电讯可以帮助用户设定参数，产品软件调试等。 |
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