基于瑞薩電子8位MCU的直流變頻抽油煙機(jī)解決方案
2010/8/11 17:59:09
電源在線網(wǎng)
——高永生 應(yīng)用工程師，世強(qiáng)電訊
隨著對(duì)家用電器消費(fèi)觀念的不斷變化，消費(fèi)者對(duì)抽油煙機(jī)的要求也越來越高。通常吸抽油煙機(jī)轉(zhuǎn)速靠人工調(diào)節(jié)，因此為了達(dá)到最佳排油效果及節(jié)能目的，往往需要使用者多次人工干預(yù)。因此，為了使抽油煙機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速、降低噪音、解放人力并最大限度地節(jié)能，瑞薩電子（本文涉及產(chǎn)品主要為瑞薩電子原NEC部分）推出了一系列變頻控制專用的8位MCU。本文主要介紹了8位MCU――uPD78F0712的主要特點(diǎn)及基于該產(chǎn)品的變頻抽油煙機(jī)解決方案。
變頻抽油煙機(jī)的特點(diǎn)
抽油煙機(jī)變頻的目的是為了通過調(diào)整抽油煙機(jī)上的帶動(dòng)風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而根據(jù)油煙量的大小調(diào)整油煙抽吸的快慢。優(yōu)良的調(diào)速和節(jié)能效果使得變頻抽油煙機(jī)在性能上明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)的抽油煙機(jī)，而變頻抽油煙機(jī)根據(jù)具體的變頻技術(shù)有不同的分類和性能特點(diǎn)，如表1所示。
表1 ：各種變頻抽油煙機(jī)的關(guān)系和特點(diǎn)
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性能
指標(biāo) |
無檔位變頻抽油煙機(jī) |
有檔位變頻抽油煙機(jī) |
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直流變頻抽油煙機(jī) |
交流變頻抽油煙機(jī) |
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120°變頻抽油煙機(jī) |
180°變頻抽油煙機(jī) |
正弦波變頻抽油煙機(jī) |
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噪音 |
較大 |
靜音 |
靜音 |
較大 |
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體積 |
體積小 |
體積小 |
體積大 |
體積大 |
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節(jié)能 |
良 |
優(yōu) |
良 |
差 |
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驅(qū)動(dòng)器成本 |
高 |
高 |
高 |
小 |
現(xiàn)如今已經(jīng)有變頻抽油煙機(jī)面市，但絕大部分是有檔位變頻抽油煙機(jī)，一般分為弱、中、強(qiáng)三檔；只有少數(shù)知名品牌廠商推出無檔位變頻抽油煙機(jī)。從表1可以看出，相同成本的180°變頻抽油煙機(jī)要比其他類型的性能要好。
180°變頻抽油煙機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中有以下特點(diǎn)：a.能根據(jù)傳感器識(shí)別有無油煙，智能啟動(dòng)和停止抽油煙機(jī)的抽吸而無需手動(dòng)操作；b.在炒、煎、炸時(shí)可根據(jù)油煙量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量；c.在燉、煲、蒸、煮時(shí)，自動(dòng)調(diào)小抽吸速度以降低耗電量；e.靜音特點(diǎn)讓用戶感覺不到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音；f.較小體積的電機(jī)使得抽油煙機(jī)體積更小，同時(shí)降低成本。
180°變頻對(duì)MCU的要求
由于180°變頻抽油煙機(jī)對(duì)電機(jī)采用矢量控制以實(shí)現(xiàn)變頻，因此其對(duì)MCU的要求很高。如果抽油煙機(jī)需要實(shí)現(xiàn)液晶顯示、延時(shí)控制等功能，MCU還需要諸如串行通信、定時(shí)器等專用外設(shè)。瑞薩電子為電機(jī)變頻控制開發(fā)了包括78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等一系列的8位MCU。它們和16位MCU一樣集成了內(nèi)部的硬件乘法器、功能強(qiáng)大的定時(shí)器、多個(gè)通用寄存器、快速的指令運(yùn)行系統(tǒng)、可編程脈沖發(fā)生器、獨(dú)立的變頻控制模塊。專有的硬件功能使得這些8位MCU更適合中小功率的180°變頻抽油煙機(jī)。
由于180°變頻抽油煙機(jī)的控制中要用到各種數(shù)學(xué)變換，變換中有很多乘法運(yùn)算，因此對(duì)MCU要求有快速的乘法運(yùn)算。瑞薩電子8位MCU的硬件乘法器能夠更快執(zhí)行電機(jī)矢量控制的各種變換算法，使抽油煙機(jī)反應(yīng)更快。如果180°變頻抽油煙機(jī)的電機(jī)控制涉及到解耦控制、PID計(jì)算，則要求MCU有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和指令運(yùn)行速度，而一般8位MCU則難以滿足要求。
180°變頻抽油煙機(jī)要求MCU接受風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器反饋的信息以進(jìn)行電機(jī)控制。瑞薩電子的這些8位MCU具有多達(dá)6個(gè)外部中斷輸入，省卻硬件捕獲單元對(duì)抽油煙機(jī)風(fēng)扇速度傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，降低抽油煙機(jī)內(nèi)部電機(jī)控制方案的成本。而32個(gè)8位（16個(gè)16位）通用寄存器特有的 Bank結(jié)構(gòu)使得抽油煙機(jī)的直流無刷電機(jī)的180度矢量控制程序運(yùn)行效率更高。
180°變頻抽油煙機(jī)屬于中高檔類的廚房電器，需要MCU能提供定制的個(gè)性化功能。瑞薩電子8位MCU的可編程脈沖發(fā)生器（PPG）能指定脈沖寬度、脈沖周期，可用于抽油煙機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或者風(fēng)量顯示并簡(jiǎn)化軟件的編程，另外還提供在線自編程功能，存儲(chǔ)抽油煙機(jī)設(shè)置參數(shù)而無需外部EEPROM，節(jié)省成本的同時(shí)也省卻空間，尤其適合低成本的180°變頻抽油煙機(jī)控制。
此外，這些MCU還具有帶2個(gè)自由中斷專用變頻控制模塊，以在PWM周期的任意時(shí)刻產(chǎn)生中斷，根據(jù)用戶需要的任意時(shí)刻對(duì)電流進(jìn)行采樣；專用于控制PWM高阻態(tài)輸出的獨(dú)立外部信號(hào)輸入，可在非正常情況下快速停止風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)；以及8位的可編程死區(qū)控制(死區(qū)時(shí)間范圍：0.1 s～25.6 s)等。圖2顯示了8位變頻控制MCU的主要特點(diǎn)，表2則這些功能給出了詳細(xì)說明。
圖2 ：瑞薩電子（原NEC電子部分）MCU的特點(diǎn)
表2：變頻控制用的8位MCU特點(diǎn)180°變頻抽油煙機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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MCU特點(diǎn) |
說明 |
對(duì)180°變頻抽油煙機(jī)的好處 |
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強(qiáng)大的定時(shí)器
功能 |
·8位寬度的可編程死區(qū)
·8位和16位功能豐富的定時(shí)器
（外部事件計(jì)數(shù)器、方波輸出、PWM輸出、脈沖寬度測(cè)量、單脈沖觸發(fā)器） |
豐富的電機(jī)控制擴(kuò)展功能、死區(qū)可適應(yīng)不同的功率開關(guān)管、定制個(gè)性化的延時(shí)油煙抽吸功能 |
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變頻專用模塊 |
·帶AD觸發(fā)功能
·在PWM周期中的任意時(shí)刻可產(chǎn)生2個(gè)自由中斷 |
電機(jī)變頻控制、電流采樣過流保護(hù)、保護(hù)抽油煙機(jī)的風(fēng)扇軸承因污物而堵轉(zhuǎn) |
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硬件乘法/除法器 |
乘法器：16位x16位，除法器32位/16位 |
加速電機(jī)180°矢量控制算法，加強(qiáng)運(yùn)算能力 |
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10-位 ADC |
3.6us的轉(zhuǎn)換時(shí)間，AD轉(zhuǎn)換功能，電源低電壓檢測(cè)功能 |
滿足抽油煙機(jī)內(nèi)部電機(jī)AD采樣功能，可檢測(cè)油煙傳感器信號(hào)強(qiáng)弱判斷油煙量 |
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實(shí)時(shí)輸出端口 |
在I/O口上實(shí)時(shí)輸出6位或者4位數(shù)據(jù) |
可定制個(gè)性化功能 |
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多個(gè)通用寄存器 |
32x8位或者16x16位 |
可提高程序運(yùn)行效率 |
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多個(gè)外部中斷輸入 |
6個(gè)外部中斷輸入，可編程邊緣檢測(cè) |
省卻捕獲單元，檢測(cè)速度反饋 |
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自編程功能 |
對(duì)flash進(jìn)行在線自編程 |
可以在線存儲(chǔ)抽油煙機(jī)設(shè)置參數(shù)，省卻外部EEPROM，節(jié)省成本和空間 |
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可編程脈沖
發(fā)生器
PPG |
脈沖頻率可設(shè)定，脈沖寬度可設(shè)定“
Programmable pulse generator” |
可用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速反饋顯示 |
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馬達(dá)緊急停車 |
外部信號(hào)輸入控制PWM高阻態(tài)輸出 |
無須軟件直接硬件控制，非正常情況下快速停止風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn) |
瑞薩電子開發(fā)了一套基于8位MCU ――uPD78F071x的低成本180°變頻抽油煙機(jī)方案HS/DC-8，該方案包括電源和電機(jī)控制部分(見圖3)。
圖3：HS/DC-8系統(tǒng)構(gòu)成
HS/DC-8正是利用8位MCU的特有的硬件功能來實(shí)現(xiàn)抽油煙機(jī)的180°變頻。HS/DC-8適用于額定容量為20W~1kW中小功率的BLDC電機(jī)，6~120Hz的電氣角頻率和0.5Wb以下的永磁磁通。
相比其他半導(dǎo)體廠商MCU的180°變頻抽油煙機(jī)方案，HS/DC-8具有以下優(yōu)勢(shì)：
低損耗：MCU中專用的變頻控制的定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)兩相調(diào)制的低損耗PWM方式，可將抽油煙機(jī)中電機(jī)控制部分的功率開關(guān)管損耗降低30％左右，從而延長(zhǎng)抽油煙機(jī)風(fēng)扇控制的壽命；
高效率、低噪聲：由于MCU的硬件乘法器可以快速的實(shí)現(xiàn)180°矢量控制算法，方案中又加入了自動(dòng)相位控制，確保抽油煙機(jī)運(yùn)行時(shí)耗能最小；
豐富的保護(hù)和定制功能：依賴于MCU中強(qiáng)大的定時(shí)器功能、豐富的IO功能和AD功能，例如死區(qū)保護(hù)、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(cè)、過壓保護(hù)。這些豐富的功能可以給抽油煙機(jī)定制特有個(gè)性化功能；
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。
圖4 ：180°變頻抽油煙機(jī)方案
圖4是180變頻抽油煙機(jī)方案實(shí)物圖。可以看出，180°變頻抽油煙機(jī)方案，硬件電路板可安裝在電機(jī)的側(cè)面端蓋中，以減小抽油煙機(jī)總體積。
專業(yè)的技術(shù)支持
用戶除了能獲得瑞薩電子8位MCU低成本、高性能帶來的好處，在180°變頻抽油煙機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程還可以獲得瑞薩電子授權(quán)代理商世強(qiáng)電訊提供的下列技術(shù)支持服務(wù)：
a) 應(yīng)用咨詢：在方案具體應(yīng)用時(shí)，世強(qiáng)電訊可根據(jù)客戶具體的抽油煙機(jī)設(shè)計(jì)需求，提供電機(jī)使用的建議，例如使用什么樣的電機(jī)可以達(dá)到節(jié)能、成本最低的效果。
b) 方案設(shè)計(jì)：180°變頻抽油煙機(jī)方案需要根據(jù)具體的產(chǎn)品市場(chǎng)、用戶對(duì)象定制不同的功能。世強(qiáng)電訊可幫助客戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為變頻抽油煙機(jī)量身訂制，修改HS/DC-8的方案。
c) 硬件參考設(shè)計(jì)：HS/DC-8可以提供硬件參考設(shè)計(jì)并且給用戶預(yù)備了功能豐富的外部硬件接口，實(shí)際用戶使用時(shí)需要設(shè)計(jì)產(chǎn)品自身的硬件接口以便能對(duì)HS/DC-8進(jìn)行外部的控制。例如可以增加通訊硬件功能，人機(jī)界面硬件功能。
d) 軟件設(shè)計(jì)：HS/DC-8已經(jīng)提供了豐富的保護(hù)和定制功能，以適應(yīng)各種不同的180°變頻抽油煙機(jī)產(chǎn)品，世強(qiáng)電訊可以幫助用戶設(shè)定參數(shù)，產(chǎn)品軟件調(diào)試等。■
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