自適應觀測器技術如何實現高魯棒性吸塵器控制方案

自適應觀測器技術：解決有刷、無刷難點問題的突破口？

傳統的有刷電機控制利用機械換向器和電刷實現電機控制，控制簡單，但是易產生火花，且噪聲大、壽命短、可靠性差。相較于無刷直流電機控制技術，因其常采用反電動勢過零發檢測轉子位置，易實現換相，但是會導致噪聲大，轉矩波動大，效率差，低轉速反電動勢難檢測等問題；

目前改用直流無刷電機FOC控制方案代替傳統有刷控制方案是常見的解決方式，但隨之會出現相應的控制難點問題，如因普通常用的滑膜觀測器對電機參數很敏感，在利用該觀測器調試驅動電機時，若不經過詳細復雜的軟硬件匹配調試，很難達到較好的驅動效果。為了解決該控制難點問題，峰岹科技自主研發了AO自適應觀測器，利用該觀測器不僅可以實現同一個程序啟動兼容各種不同類型的電機，而且能實現電機超低速不失步。

嵌入AO自適應觀測器的芯片如：峰岹FU6861Q2，是集成電機控制引擎（ME）和 8051 內核的高性能電機驅動專用芯片，8051內核處理常規事務，ME 處理電機實時事務，雙核協同工作實現各種高性能電機控制。其中 8051內核大部分指令周期為 1T 或 2T，芯片內部集成有高速運算放大器、比較器、高速 ADC、乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、多種 TIMER、PWM 等功能，內置高壓 LDO，適用于 BLDC/PMSM 電機的方波、SVPWM/SPWM、FOC 驅動控制。

圖1 FU6861Q2封裝引腳圖

?圖2 FU6861Q2功能框圖

運用自適應觀測器的吸塵器控制方案有哪些優勢？

A、強兼容性和高魯棒性

家用傳統吸塵逐漸被更加便捷的手持式吸塵器取代，鋰電池的供電方式，續航成為了大家都非常關注的性能點。吸塵器電池的續航能力如何，高效率電機設計至關重要。為了設計出最佳狀態的吸塵器，吸塵器廠商會經常調整電機匝數或者結構，如果采用傳統的滑膜FOC方案，由于是基于電機模型去觀測角度，那么電機參數的調整就會導致整個啟動，運行以及效率都需要重新匹配。

圖3 實測的其中幾款吸塵機型

峰岹科技AO自適應觀測器具備強大的兼容性，我們實測了8臺不同吸塵器電機，其中包含有V45、V55、V65，3種常見不同尺寸的吸塵器電機，使用同一個產品板+一套固定的程序，每臺電機都能做到順暢啟動，并且零速的時候，估算器也不會失步。

B、效率更高、噪音更低

通過內置自適應觀測器對驅動角度自適應矯正，實現最優角度驅動。實測V45機型吸塵器，最高效率能達到56%（如圖4），而傳統吸塵器效率一般在42%~52%左右，因此自適應觀測器使得方案效率更高，對于鋰電池供電的手持吸塵器的續航帶來了顯著的提升。

圖4 吸塵器PQ測試

實測1對極、200W、7葉吸塵器的噪聲頻譜圖，FOC噪聲諧波分量明顯小于方波的驅動方式（如圖5、6），優于傳統的有刷和方波控制的吸塵器方案。注：圖中兩個噪聲尖峰來源于扇葉帶來的7倍頻風噪和兩倍頻的風噪。

圖5 FOC驅動方式吸塵器噪聲頻譜圖

圖6 方波驅動方式吸塵器噪聲頻譜圖

C、雙核驅動實現超高轉速

單ME核完成一次FOC運行只有5.6us，對于2對極吸塵器的超高速應用，轉速最高會達到150KRPM，電頻率超過5KHZ，此時載波頻率最少要50KHZ左右。這就對FOC估算速度帶來了極大的考驗，對于普通單片機的純軟件的FOC，很難應對高速電機需求，而峰岹科技的雙核驅動芯片中可實現超高轉速，在吸塵器的實際應用方案中，實測電氣轉速接近300KPM ，并且能穩定運行（如圖7）。

圖7 2對極吸塵器，電氣轉速接近290KRPM的波形

D、方案成本低，外圍器件少，電路簡潔

采用FU6861Q2的吸塵器方案，由于芯片的高集成度，外圍元器件減少，節省布板面積，幫助客戶實現更小型緊湊的產品結構，方案BOM成本的降低，產品將更具競爭優勢

圖9 應用PCB

E、配置豐富的開發工具

另外為了更好的支持客戶開發吸塵器產品，峰岹提供了完善的產品開發工具，比如：

SPI調試仿真器：可以實時觀測估算器角度，采樣電流等信息判斷估算和采樣是否異常，如圖10為采樣異常時候，紅色部分為SPI顯示真實采樣的電流波形，藍色部分為實際的相電流波形，可以看出有明顯的信號采樣出錯。（這里采樣電流出錯原因是由于最小采樣窗口太小導致）；如圖11，為采樣正常時候，SPI和實際相電流波形，可以看出兩者完全吻合。

開發測試DEMO板：峰岹也設計了針對吸塵器客戶使用，模擬產品板的DEMO，客戶可以以最快速的方式驅動自己的電機，能在產品開發之初就能大致了解產品的性能，大大的縮短的開發周期。

圖10 采樣異常時候的SPI波形（紅色為SPI顯示采樣波形，藍色位實際相電流波形）

圖11 采樣信號正常時，SPI反饋的采樣電流和實際相電流會完全吻合

在高速吸塵器應用領域，峰岹科技有著豐厚的經驗和很高的市場占有率，并且在效率、噪聲、魯棒性、兼容性、溫升等問題上都有可持續迭代的優化策略，我們在致力于幫助客戶提高品質性能，縮減方案設計開發周期，提升整體競爭優勢等方面將不懈努力。

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