180°电机控制及家电风机解决方案

2010-10-22 09:57:49来源: 互联网

  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。

  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。

  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。

  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 s~25.6 s)。

  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

58.jpg

 

  

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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(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。

关键字:180°电机控制  uPD78F0712  家电风机

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2010/1022/article_3481.html
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