基于中颖SH79F2211的手持式无感FOC吸尘器方案

jf_pJlTbmA9 2023-11-01 953

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描述

随着人们对物质文明追求的提高，越来越多人对居住环境的要求也越来越高，尤其伴随着80、90后逐渐成为电器产品消费的中坚力量，手持式的清洁工具进入了他们开始独立生活的首选名单，而手持式吸尘器价格亲民，操作方便，愈加得到人们的青睐。

据统计，欧美国家地区占全球吸尘器销售量达63%,而亚洲地区仅占7%。我国覆盖率现阶段仅为11%,而像美、日市场均接近于饱和状态，故我国的市场经营规模还未开启，如按照必须品的覆盖率(>90%)预计，吸尘器的潜在性自销总量就超出四亿台。故而未来几年吸尘器仍具有广大的市场空间。

与传统电机控制方案相似，目前市面吸尘器控制方案分为六步无感方波驱动和无感FOC驱动两种，由于FOC驱动方式对吸尘器电机的平稳性、能效比均有较好的提升，实测数据显示FOC驱动方式效率能比方波驱动方式提高2~3个百分比以上，这使得无感FOC的驱动方式越来越普遍。

基于中颖SH79F2211的无感FOC方案，是十分适合手持式吸尘器应用的一款方案，主控MCU集成前置Driver，使得外围元器件更加简洁，PCB板更加精巧；无感FOC采用成熟的SMO+PLL观测器，能快速的获取电机转子实时位置，做到高精度的FOC控制，大大提升了电机的控制效率。

1. 主控芯片简介：

SH79F2211是一款48Pin内置预驱的MCU，有TQFP和QFN两种封装形式可供选择：

SH79F2211的引脚图：

吸尘器

图1、SH79F2211管脚分布图

SH79F2211的主要特性：

基于8051指令流水线结构的8位单片机

- 最高84MHz系统工作频率

集成算术协处理器（MDU+CORDIC+SVPWM）

- 单周期32bit硬件移位单元

- 单周期16 X 16bit硬件乘法

- 9周期32 / 16bit硬件除法

- 单周期32bit+32bit加法

- 硬件CORDIC协处理器（圆函数）

- 两套操作数结果寄存器组可切换

- Q格式数据乘法/除法自动移位

- 可选带饱和的乘加运算

- 带移相功能的SVPWM生成支持五段式和七段式

- 硬件实现FOC算法所需的低通滤波、PI控制和坐标变换

集成三相全桥MOSFET/IGBT 门极驱动

- 栅极浮动电压最高250V

- HO高端输出与MCU高端输入同相

- LO低端输出与MCU低端输入反相

- 驱动能力+1.2A/-1.4A

- 内置保护逻辑，防止上下桥直通

- 内置驱动电源VCC/浮动电源VBS欠压保护

- 集成VCC/VBS欠压保护功能，输出关闭

集成15V开关电源稳压器（DCDC1）

- 3种计数模式，单次计数/边沿对齐/中心对齐模式

- 带死区产生逻辑及故障检测功能, 可设置后分频系数

- PWM周期内可设置多个时刻硬件触发ADC功能

- PWM管脚顺序可选（代码选项）

中断源：

- 定时器2/3/4

- 外部中断2、3

- 捕捉中断0/1/2

- ADC

- EUART0、1，SPI

- PWM周期，归零和占空比中断

- 模拟比较器1/2

- PWM4周期中断

10+3通道12位1M sps高速模数转换器（ADC），自动触发ADC功能，12通道转换结果缓冲功能

内建多输入模拟施密特比较器器CMP1（可使用AVDD分压值作为比较基准）

内建两个高速模拟放大器OP1/2，OP2可当作多输入比较器CMP2使用

集成5V线性稳压器（LDO5）

-输入电压7～18V（典型为DCDC1输出15V）

-输出电压5V(常温:±2%)

-输出电流：最大100mA

-集成短路保护功能

Flash ROM：32K字节

RAM：1.5K字节

类EEPROM：2048字节

MCU工作电压：fOSC=400k -84MHz，VDD= 2.4V - 5.5V

高频振荡器：

- 内部RC高频振荡器：8MHz（全范围1%精度）

- 内部集成无需外接电容的PLL，最高输出84MHz

低频振荡器：内部RC低频振荡器：128KHz

最多27个CMOS双向I/O管脚

I/O内建上拉电阻

3个16位定时器/计数器T2/T3/T4

三路捕捉功能，保存捕捉触发条件下的捕捉定时器值

脉冲宽度调制模块（MCM）

- 8路（4对）16位PWM输出，每对PWM支持互补或独立模式，输出极性可单独控制

2套增强型UART：UART0、UART1

1路8bit无死区PWM输出PWM4

SPI接口（主/从模式）

双线串行接口TWI（主模式）

内建的低电压复位功能（代码选项）

- LVR电压1：4.1V

- LVR电压2：2.5V

CPU机器周期：

- 1振荡周期

看门狗定时器（WDT）

内建振荡器预热计数器

低功耗工作模式：

- 空闲模式

- 掉电模式

Flash型

40位可读MCU识别码

工作环境温度-40～+105℃

单线仿真接口（同时支持四线仿真接口）

封装：

- TQFP48 / QFN48

SH79F2211内部方框图：

吸尘器

图2、SH79F2211内部方框图

以上可知，SH79F2211硬件资源强大，运算高效，特别适合单电阻无感FOC方案。目前中颖无感FOC吸尘器最高电转速能做到150000RPM以上，电机效率达到50%以上，软件程序调试方便快捷，可以轻松胜任目前市面上绝大多数手持式吸尘器的应用要求。

二、电机控制算法简介：

1）无感方案框图：

基于中颖SH79F2211的单电阻无感FOC观测器方案采用成熟的全维SMO+PLL方案，算法响应速度快，实时跟踪精度高，参数配置简单，可直接闭环启动：

吸尘器

图3、中颖无感FOC控制框图

电机的αβ 坐标系下的状态方程

吸尘器

反电动势观测器方程

吸尘器

速度观测器方程

吸尘器

2）单电阻硬件移相：

为节约成本及占用更小的PCB布局面积，电机的电流采样通过单电阻实现，但转子在某些位置会使得单电阻采样进入非观测区，此时，F2211内置的硬件饱和移相功能会自动调整PWM波形进而实现电流采样重构：

吸尘器

图4、F2211硬件饱和移相功能

3）弱磁策略：

吸尘器在实际工况中，往往会被部分异物堵住进风口或滤网，此时为保证吸尘器的吸力足够，通常需要通过弱磁手段提高电机的转速，保证恒功率控制的要求：

吸尘器

图5、F2211弱磁策略

4）F2211方案原理图：

F2211内置预驱，所以外围电路十分简单，这使得PCB板面积更小：

吸尘器

图6、F2211吸尘器方案原理图及实物图

5）F2211方案静止启动波形：

吸尘器

图7、吸尘器方案启动波形

6）F2211方案连续断电顺风启动波形：

吸尘器

图8、吸尘器连续掉电顺风启动波形

7）F2211方案稳定运行波形：

吸尘器

图9、吸尘器方案稳定运行波形图

8）F2211方案150000RPM波形：

吸尘器

图10、吸尘器最高电频率波形图

9）F2211方案效率实测数据：

吸尘器

来源：中颖电子

审核编辑：汤梓红

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