基于uPD78F0712的家电风机解决方案

　　随着科学技术的发展，180°电机控制越来越多在各种领域的应用，尤其在家电领域里。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。

   　　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的BLDC和正弦波控制的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。
   　　2.180°电机控制在家电上的应用
   　　① 油烟机
   　　油烟机，系家庭厨房为吸净烹调时所产生的油烟之类用电器，不仅能 很好完成功能性的作用外，应具备融合现代厨房格局的装饰概念。 经过油烟机的发展，油烟机已经不局限于厨房除油烟的简单工具了，而是增加较多的娱乐功能和使用功能，如增加了电视显示器的娱乐油烟机，增加了与智能家居为一体的安防系统的油烟机，安装了网络控制的网络油烟机等。
   　　吸油烟机在结构设计上应考虑到易于有效清除积聚起来的油脂和污垢，应尽量做到外壳表面光滑平整。通常吸油烟机需固定在墙上使用，所以除有键、孔槽、钩等外，还要求它应有合适的装置将其固定在墙上，同时这种装置应由不易移动或不易变形的金属制成。
   　　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，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
   　　空气净化器（又称“空气清洁器”、空气清新机），是指能够吸附、分解或转化各种空气污染物（一般包括粉尘、花粉、异味、甲醛之类的装修污染、细菌、过敏原等），有效提高空气清洁度的产品，目前以清除室内空气污染的家用和商用空气净化器为主。
   　　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。
   　　选购空气净化器，无非都是想用其来换取健康清新的空气。把以一台空气净化器是否安全，是决定其是否可取的基本前提条件。空气净化器的外壳、机芯与净化技术，将会直接影响着空气净化器的安全性。净化技术，应选择与自然界中的正负离子一样，并有国外13家机构认证其安全性的离子净化技术。
   　　国际通行的空气净化原理有五种，物理式、静电式、化学式、负离子式和复合式。一般来说，同时使用多种净化方式的空气净化器，其净化效果会更佳。例如灰尘、 异味、花粉等大颗粒物质，可以通过物理净化方式来过滤；而过敏物质、病毒、甲醛等有害物质，则需要化学净化方式来净化。
   　　按净化方式从能动的方向来分，净化方式从能动的方向来分，又有主动净化方式（空中净化）和被动净化方式（定点净化）和主被动复合净化三种。被动净化方式只 对吸入的空气有净化效果；主动的净化方式对整个空间都会有净化效果。主被动复合净化是两者的相结合，效果也更加好。
   　　3.瑞萨电子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，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。
   　　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
   
   表2 变频控制用的8位MCU特点
   　　瑞萨电子180°变频电机控制方案
   　　瑞萨电子开发了一套基于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。