基于中穎SH79F2211的手持式無感FOC吸塵器方案

隨著人們對物質文明追求的提高，越來越多人對居住環境的要求也越來越高，尤其伴隨著80、90后逐漸成為電器產品消費的中堅力量，手持式的清潔工具進入了他們開始獨立生活的首選名單，而手持式吸塵器價格親民，操作方便，愈加得到人們的青睞。

據統計，歐美國家地區占全球吸塵器銷售量達63%,而亞洲地區僅占7%。我國覆蓋率現階段僅為11%,而像美、日市場均接近于飽和狀態，故我國的市場經營規模還未開啟，如按照必須品的覆蓋率(>90%)預計，吸塵器的潛在性自銷總量就超出四億臺。故而未來幾年吸塵器仍具有廣大的市場空間。

與傳統電機控制方案相似，目前市面吸塵器控制方案分為六步無感方波驅動和無感FOC驅動兩種，由于FOC驅動方式對吸塵器電機的平穩性、能效比均有較好的提升，實測數據顯示FOC驅動方式效率能比方波驅動方式提高2~3個百分比以上，這使得無感FOC的驅動方式越來越普遍。

基于中穎SH79F2211的無感FOC方案，是十分適合手持式吸塵器應用的一款方案，主控MCU集成前置Driver，使得外圍元器件更加簡潔，PCB板更加精巧；無感FOC采用成熟的SMO+PLL觀測器，能快速的獲取電機轉子實時位置，做到高精度的FOC控制，大大提升了電機的控制效率。

1. 主控芯片簡介：

SH79F2211是一款48Pin內置預驅的MCU，有TQFP和QFN兩種封裝形式可供選擇：

SH79F2211的引腳圖：

圖1、SH79F2211管腳分布圖

SH79F2211的主要特性：

基于8051指令流水線結構的8位單片機

-最高84MHz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 X 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

- 硬件實現FOC算法所需的低通濾波、PI控制和坐標變換

集成三相全橋MOSFET/IGBT門極驅動

-柵極浮動電壓最高250V

- HO高端輸出與MCU高端輸入同相

- LO低端輸出與MCU低端輸入反相

-驅動能力+1.2A/-1.4A

-內置保護邏輯，防止上下橋直通

-內置驅動電源VCC/浮動電源VBS欠壓保護

-集成VCC/VBS欠壓保護功能，輸出關閉

集成15V開關電源穩壓器（DCDC1）

- 3種計數模式，單次計數/邊沿對齊/中心對齊模式

- 帶死區產生邏輯及故障檢測功能, 可設置后分頻系數

- PWM周期內可設置多個時刻硬件觸發ADC功能

- 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

- PWM周期，歸零和占空比中斷

- 模擬比較器1/2

- PWM4周期中斷

10+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

集成5V線性穩壓器（LDO5）

-輸入電壓7～18V（典型為DCDC1輸出15V）

-輸出電壓5V(常溫:±2%)

-輸出電流：最大100mA

-集成短路保護功能

Flash ROM：32K字節

RAM：1.5K字節

類EEPROM：2048字節

MCU工作電壓：fOSC=400k -84MHz，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84MHz

低頻振蕩器：內部RC低頻振蕩器：128KHz

最多27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PWM支持互補或獨立模式，輸出極性可單獨控制

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（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）

封裝：

-TQFP48 / QFN48

SH79F2211內部方框圖：

圖2、SH79F2211內部方框圖

以上可知，SH79F2211硬件資源強大，運算高效，特別適合單電阻無感FOC方案。目前中穎無感FOC吸塵器最高電轉速能做到150000RPM以上，電機效率達到50%以上，軟件程序調試方便快捷，可以輕松勝任目前市面上絕大多數手持式吸塵器的應用要求。

二、電機控制算法簡介：

1）無感方案框圖：

基于中穎SH79F2211的單電阻無感FOC觀測器方案采用成熟的全維SMO+PLL方案，算法響應速度快，實時跟蹤精度高，參數配置簡單，可直接閉環啟動：

圖3、中穎無感FOC控制框圖

電機的αβ 坐標系下的狀態方程

反電動勢觀測器方程

速度觀測器方程

2）單電阻硬件移相：

為節約成本及占用更小的PCB布局面積，電機的電流采樣通過單電阻實現，但轉子在某些位置會使得單電阻采樣進入非觀測區，此時，F2211內置的硬件飽和移相功能會自動調整PWM波形進而實現電流采樣重構：

圖4、F2211硬件飽和移相功能

3）弱磁策略：

吸塵器在實際工況中，往往會被部分異物堵住進風口或濾網，此時為保證吸塵器的吸力足夠，通常需要通過弱磁手段提高電機的轉速，保證恒功率控制的要求：

圖5、F2211弱磁策略

4）F2211方案原理圖：

F2211內置預驅，所以外圍電路十分簡單，這使得PCB板面積更?。?/p>

圖6、F2211吸塵器方案原理圖及實物圖

5）F2211方案靜止啟動波形：

圖7、吸塵器方案啟動波形

6）F2211方案連續斷電順風啟動波形：

圖8、吸塵器連續掉電順風啟動波形

7）F2211方案穩定運行波形：

圖9、吸塵器方案穩定運行波形圖

8）F2211方案150000RPM波形：

圖10、吸塵器最高電頻率波形圖

9）F2211方案效率實測數據：

來源：中穎電子

審核編輯：湯梓紅