基于中颖SH79F2211的手持式无感FOC吸尘器方案

周五, 12 八月 2022 - 15:02

随着人们对物质文明追求的提高，越来越多人对居住环境的要求也越来越高，尤其伴随着80、90后逐渐成为电器产品消费的中坚力量，手持式的清洁工具进入了他们开始独立生活的首选名单，而手持式吸尘器价格亲民，操作方便，愈加得到人们的青睐。

据统计，欧美国家地区占全球吸尘器销售量达63%,而亚洲地区仅占7%。我国覆盖率现阶段仅为11%,而像美、日市场均接近于饱和状态，故我国的市场经营规模还未开启，如按照必须品的覆盖率(>90%)预计，吸尘器的潜在性自销总量就超出四亿台。故而未来几年吸尘器仍具有广大的市场空间。

与传统电机控制方案相似，目前市面吸尘器控制方案分为六步无感方波驱动和无感FOC驱动两种，由于FOC驱动方式对吸尘器电机的平稳性、能效比均有较好的提升，实测数据显示FOC驱动方式效率能比方波驱动方式提高2~3个百分比以上，这使得无感FOC的驱动方式越来越普遍。

基于中颖SH79F2211的无感FOC方案，是十分适合手持式吸尘器应用的一款方案，主控MCU集成前置Driver，使得外围元器件更加简洁，PCB板更加精巧；无感FOC采用成熟的SMO+PLL观测器，能快速的获取电机转子实时位置，做到高精度的FOC控制，大大提升了电机的控制效率。

1. 主控芯片简介：

SH79F2211是一款48Pin内置预驱的MCU，有TQFP和QFN两种封装形式可供选择：

SH79F2211的引脚图：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265903-1.png&…; alt=“图1、SH79F2211管脚分布图" /></center><center>图1、SH79F2211管脚分布图</center>

SH79F2211的主要特性：

<ul>
<li>基于8051指令流水线结构的8位单片机</li>
</ul>
          - 最高84MHz系统工作频率
<ul>
<li>集成算术协处理器（MDU+CORDIC+SVPWM）</li>
</ul>
          - 单周期32bit硬件移位单元
          - 单周期16 X 16bit硬件乘法
          - 9周期32 / 16bit硬件除法
          - 单周期32bit+32bit加法
          - 硬件CORDIC协处理器（圆函数）
          - 两套操作数结果寄存器组可切换
          - Q格式数据乘法/除法自动移位
          - 可选带饱和的乘加运算
          - 带移相功能的SVPWM生成支持五段式和七段式
          - 硬件实现FOC算法所需的低通滤波、PI控制和坐标变换
<ul>
<li>集成三相全桥MOSFET/IGBT 门极驱动</li>
</ul>
          - 栅极浮动电压最高250V
          - HO高端输出与MCU高端输入同相
          - LO低端输出与MCU低端输入反相
          - 驱动能力+1.2A/-1.4A
          - 内置保护逻辑，防止上下桥直通
          - 内置驱动电源VCC/浮动电源VBS欠压保护
          - 集成VCC/VBS欠压保护功能，输出关闭
<ul>
<li>集成15V开关电源稳压器（DCDC1） 
</li>
</ul>
          - 3种计数模式，单次计数/边沿对齐/中心对齐模式
          - 带死区产生逻辑及故障检测功能, 可设置后分频系数
          - PWM周期内可设置多个时刻硬件触发ADC功能
          - PWM管脚顺序可选（代码选项） 

<ul>
<li>
中断源：
</li>
</ul>
          - 定时器2/3/4
          - 外部中断2、3
          - 捕捉中断0/1/2
          - ADC
          - EUART0、1，SPI
          - PWM周期，归零和占空比中断
          - 模拟比较器1/2
          - PWM4周期中断
<ul>
<li>
10+3通道12位1M sps高速模数转换器（ADC），自动触发ADC功能，12通道转换结果缓冲功能
</li>
<li>
内建多输入模拟施密特比较器器CMP1（可使用AVDD分压值作为比较基准）
</li>
<li>
内建两个高速模拟放大器OP1/2，OP2可当作多输入比较器CMP2使用
</li>
<li> 集成5V线性稳压器（LDO5）</li>
</ul>
          -输入电压7～18V（典型为DCDC1输出15V）
          -输出电压5V(常温:±2%)
          -输出电流：最大100mA
          -集成短路保护功能
<ul>
<li>Flash ROM：32K字节</li>
<li>RAM：1.5K字节</li>
<li>类EEPROM：2048字节</li>
<li>MCU工作电压：fOSC=400k -84MHz，VDD= 2.4V - 5.5V</li>
</ul>

<ul>
<li>高频振荡器：</li>
</ul>
          - 内部RC高频振荡器：8MHz（全范围1%精度）
          - 内部集成无需外接电容的PLL，最高输出84MHz
<ul>
<li>低频振荡器：内部RC低频振荡器：128KHz</li>
<li>最多27个CMOS双向I/O管脚</li>
<li> I/O内建上拉电阻</li>
<li>3个16位定时器/计数器T2/T3/T4</li>
<li>
 三路捕捉功能，保存捕捉触发条件下的捕捉定时器值
</li>
<li>脉冲宽度调制模块（MCM）

- 8路（4对）16位PWM输出，每对PWM支持互补或独立模式，输出极性可单独控制 
</li>
<li>2套增强型UART：UART0、UART1</li>
<li>
 1路8bit无死区PWM输出PWM4
</li>
<li>
SPI接口（主/从模式）
</li>
<li>
双线串行接口TWI（主模式）
</li>
<li>
内建的低电压复位功能（代码选项）
</li>
</ul>
          - LVR电压1：4.1V          - LVR电压2：2.5V
<ul>
<li>
CPU机器周期：
</li>
</ul>
          - 1振荡周期
<ul>
<li>
看门狗定时器（WDT）
</li>
<li>
 内建振荡器预热计数器
</li>
<li>
低功耗工作模式：
</li>
</ul>
          - 空闲模式
          - 掉电模式
<ul>
<li>
Flash型
</li>
<li>
 40位可读MCU识别码
</li>
<li>
工作环境温度-40～+105℃
</li>
<li>
单线仿真接口（同时支持四线仿真接口）
</li>
<li>
封装：
</li>
</ul>
          - TQFP48 / QFN48

SH79F2211内部方框图：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265904-2.png&…; alt=“图2、SH79F2211内部方框图" /></center><center>图2、SH79F2211内部方框图</center>

以上可知，SH79F2211硬件资源强大，运算高效，特别适合单电阻无感FOC方案。目前中颖无感FOC吸尘器最高电转速能做到150000RPM以上，电机效率达到50%以上，软件程序调试方便快捷，可以轻松胜任目前市面上绝大多数手持式吸尘器的应用要求。

二、电机控制算法简介：

1）无感方案框图：

基于中颖SH79F2211的单电阻无感FOC观测器方案采用成熟的全维SMO+PLL方案，算法响应速度快，实时跟踪精度高，参数配置简单，可直接闭环启动：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265905-3.png&…; alt=“图3、中颖无感FOC控制框图" /></center><center>图3、中颖无感FOC控制框图</center>

电机的αβ 坐标系下的状态方程

反电动势观测器方程

速度观测器方程

2）单电阻硬件移相：

为节约成本及占用更小的PCB布局面积，电机的电流采样通过单电阻实现，但转子在某些位置会使得单电阻采样进入非观测区，此时，F2211内置的硬件饱和移相功能会自动调整PWM波形进而实现电流采样重构：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265909-7.png&…; alt=“图4、F2211硬件饱和移相功能" /></center><center>图4、F2211硬件饱和移相功能</center>

3）弱磁策略：

吸尘器在实际工况中，往往会被部分异物堵住进风口或滤网，此时为保证吸尘器的吸力足够，通常需要通过弱磁手段提高电机的转速，保证恒功率控制的要求：

4）F2211方案原理图：

F2211内置预驱，所以外围电路十分简单，这使得PCB板面积更小：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265911-9.png&…; alt=“图6、F2211吸尘器方案原理图及实物图" /></center><center>图6、F2211吸尘器方案原理图及实物图</center>

5）F2211方案静止启动波形：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265912-10.png…; alt=“图7、吸尘器方案启动波形" /></center><center>图7、吸尘器方案启动波形</center>

6）F2211方案连续断电顺风启动波形：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265913-11.png…; alt=“图8、吸尘器连续掉电顺风启动波形" /></center><center>图8、吸尘器连续掉电顺风启动波形</center>

7）F2211方案稳定运行波形：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265914-12.png…; alt=“图9、吸尘器方案稳定运行波形图" /></center><center>图9、吸尘器方案稳定运行波形图</center>

8）F2211方案150000RPM波形：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-08/wen_zhang_/100563030-265915-13.png…; alt=“图10、吸尘器最高电频率波形图" /></center><center>图10、吸尘器最高电频率波形图</center>

9）F2211方案效率实测数据：

来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/ETyugV0U25djOV3Cx75w0Q">中颖电子</a>
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