基于SH79F2204的無感電動工具方案

隨著鋰電池應用越來越普及，市場上手持式電動工具也越來越多，目前手持式電動工具以有刷或有感方案為主，然而無刷無感方案因其諸多優點，市場占比不斷提高，未來成為主流是大概率事件。

不過，某些類型的電動工具目前的無感化方案使用體驗與有感方案差異較大，主要是因為無感方案大都基于反電動勢來估計轉子位置，在啟動性能上不及有感方案;在堵轉、受迫倒轉等情形下則無法工作，只能停機。

以此為契機，中穎獨立自研了基于SH79F2204的無感電動工具方案，利用與轉速無關的凸極效應，很好的解決了上述問題。力求使無感方案與有感方案擁有幾乎相同的體驗。(受迫倒轉的解決算法已申請發明專利。)

一、主控芯片簡介：

SH79F2204的引腳圖：

SH79F2204的主要特性：

基于8051指令流水線結構的8位單片機

最高48MHz系統工作頻率

集成算術協處理器(MDU+CORDIC+SVPWM)

- 單周期32bit硬件移位單元

- 單周期16 × 16bit硬件乘法

- 9周期32 ÷ 16bit硬件除法

- 單周期32bit+32bit加法

- 硬件CORDIC協處理器(圓函數)

- 兩套操作數結果寄存器組可切換

- Q格式數據乘法/除法自動移位-

可選帶飽和的乘加運算

- 帶移相功能的SVPWM生成支持五段式和七段式

- 可硬件實現FOC算法所需的低通濾波、PI控制和坐標變換

ProgramROM(Flash)：32K字節

ProgramRAM: 8K 字節

DataRAM：1.5K字節

類EEPROM：最大1K字節

工作電壓：

- fSYS=128K-48MHz，VDD=2.4V-5.5V

高頻振蕩器：

- 內部RC高頻振蕩器：8MHz(全范圍1%精度)

- 內部集成無需外接電容的PLL，最高輸出48MHz

低頻振蕩器：內部RC低頻振蕩器：128KHz

30個CMOS雙向I/O管腳

I/O內建上拉電阻

3個16位定時器/計數器T2/T3/T4

三路捕捉功能，保存捕捉觸發條件下的捕捉定時器值

脈沖寬度調制模塊(MCM)

- 8路(4對)16位PWM輸出，每對支持互補或獨立模式，輸出極性可單獨控制

- 3種計數模式，單次計數模式，邊沿對齊模式，中心對齊模式(中心對齊互補模 式下支持對稱和非對稱波形)

- 帶死區產生邏輯及故障檢測功能

- PWM周期內可設置多個時刻硬件觸發ADC功能

- 可設置后分頻系數

- PWM管腳順序可選(代碼選項)

中斷源：

- 定時器2/3/4

- 外部中斷2、3

- 捕捉中斷0/1/2

-ADC

-EUART0、1，SPI&TWI

- MCM模塊PWM周期，歸零和各路占空比中斷

- 模擬比較器1/2

-PWM4周期中斷

9+3通道12位1M sps高速模數轉換器(ADC)，自動觸發ADC功能，12通道轉換結果緩沖功能

內建多輸入模擬施密特比較器器CMP1(可使用AVDD分壓值作為比較基準)

內建兩個高速模擬放大器OP1/2，OP2可當作多輸入比較器CMP2使用

2套增強型UART：UART0、UART1

1路8bit無死區PWM輸出PWM4

SPI接口(主/從模式)

雙線串行接口TWI(主模式)

內建的低電壓復位功能(取決于代碼選項)

-LVR電壓1：4.1V

-LVR電壓2：2.5V

CPU機器周期：1振蕩周期

看門狗定時器(WDT)

內建振蕩器預熱計數器

低功耗工作模式：空閑模式&掉電模式

Flash型

40位可讀MCU識別碼

工作環境溫度-40～+105℃

單線仿真接口(同時支持四線仿真接口，兩套仿真口管腳不復用)

針對PRAM的CRC校驗模塊

封裝：LQFP32

SH79F2204內部方框圖：

以上可知，SH79F2204內部資源強大，運算高效?；诖诵酒梢圆捎肁DC采樣反電動勢的方案，相對采用比較器的方案，軟件參與度更高，也因此對于不同種類的電動工具應用都能很好的適應。

二、電機控制算法簡介：

1)程序狀態切換邏輯

無感有制動方案(電鉆、電扳手等)狀態切換流程圖：

無感無制動方案(角磨機，電鋸類等)狀態切換流程圖：

2)電機控制邏輯：

電機的控制主要在兩個中斷程序中完成：載波中斷和換相中斷。

載波中斷程序流程圖：

換相中斷程序流程圖：

三、方案的性能優勢：

1)全速度范圍內高效運轉

對于BLDC控制方案，梯形波是否對稱是電機效率的最重要指標，中穎方案采用ADC采樣反電動勢捕捉過零點，在每個載波內對不通電相反電動勢進行多次采樣，并對采樣到的值做多種判斷，得出準確的反電動勢過零點。并通過不同的轉速計算不同的延遲時間，實現準確換相。以下是電機運行時三相端電壓的波形圖。

高速(滿占空比)情形的波形：

低速(占空比<10%)情形的波形：

2)啟動、堵轉和受迫倒轉

目前電動工具應用的算法有兩個難點。

一是啟動、堵轉等0速情形：有感方案依據霍爾傳感器來確定轉子位置，與電機轉速無關，因此在如電鉆類工具發生堵轉時，電機可以始終輸出向前的力矩。而無感方案依據反電動勢來確定轉子位置， 0速情形下反電動勢很小或為0。目前主流的無感方案大都依靠響應極快的速度閉環來實現較好的啟動效果，并將堵轉作為一種故障來處理，一旦發生立即停機?；谶@類方案的電動工具不僅在某些使用場景無法勝任，而且對于用慣有感甚至有刷方案的用戶來說體驗不佳。下圖是一次啟動的三相端電壓波形：

下圖是“啟動—堵轉—釋放再啟動”這一過程的波形：

二是受迫倒轉情形，當電機的電磁轉矩小于外部施加的反向力，比如鏈鋸卡在木料中時，使用者可能會來回拖拽鋸柄。這種情形下有感或有刷方案允許電機跟著倒轉，并始終輸出向前的力矩，但依靠反電動勢的無刷方案只能停機。

中穎基于SH79F2204的無感電動工具方案利用與轉速無關的凸極效應，很好的解決了上述問題，使無感方案與有感方案擁有幾乎相同的體驗。

3)極快的調速響應為滿足絕大多數電鉆或電扳手的啟動要求，中穎方案從電機啟動到占空比加滿只需40ms，啟動成功率100%。

4)超低轉速中穎方案低速算法的另一個好處是占空比理論上可從0開始無極調速，下面的視頻中給定占空比為2%。

5)系統高度集成化

SH79F2204內部集成比較器和運放等模擬器件，可減少芯片外部的元器件，使PCB板尺寸更小，更適應手持式電動工具對小巧的要求，下圖是一個12管方案的PCB實物照片：

審核編輯：湯梓紅