隨著科學技術的發展，180°電機控制越來越多在各種領域的應用，尤其在家電領域里。瑞薩電子目前推出了一系列變頻控制專用的8位MCU，本文主要介紹瑞薩電子8位MCU――uPD78F0712的主要特點及基于該MCU的家電風機解決方案。

1. 180°控制的應用場合及特點

目前市場上對于家用電器如熱水器、油煙機等一般要求其具有低噪聲、低損耗、省電節能的特征，因此，類似的這些場合并不適宜使用變頻器驅動的交流異步電機，而適合使用小功率無刷直流電機進行調速。

無刷直流電機分為方波控制的BLDC和正弦波控制的PMSM永磁同步電機。下表是各個電機控制特點比較：

表1 電機控制特點



由上表可以看出，在小功率電機范圍內，180°電機控制具有噪聲低、效率高的優點。

目前市場上最先進的180°控制技術是基于磁場定向矢量的變頻技術，FOC（磁場定向）矢量控制算法產生矢量形式相電壓，用來控制定子電流，其控制原理是通過一定的坐標轉換可以對磁通和轉矩直接控制，實現電流和轉速的雙閉環控制，可以在不產生大流的情況下實現快速的動態響應。

2.180°電機控制在家電上的應用

① 油煙機

油煙機，系家庭廚房為吸凈烹調時所產生的油煙之類用電器，不僅能 很好完成功能性的作用外，應具備融合現代廚房格局的裝飾概念。 經過油煙機的發展，油煙機已經不局限于廚房除油煙的簡單工具了，而是增加較多的娛樂功能和使用功能，如增加了電視顯示器的娛樂油煙機，增加了與智能家居為一體的安防系統的油煙機，安裝了網絡控制的網絡油煙機等。

吸油煙機在結構設計上應考慮到易于有效清除積聚起來的油脂和污垢，應盡量做到外殼表面光滑平整。通常吸油煙機需固定在墻上使用，所以除有鍵、孔槽、鉤等外，還要求它應有合適的裝置將其固定在墻上，同時這種裝置應由不易移動或不易變形的金屬制成。

目前，市場上比較常見的是有檔位變頻油煙機，只有少部分的油煙機廠商開始采用180°電機控制的無檔位變頻油煙機。

相對于其他類型的變頻油煙機，180°變頻油煙機有以下特點：

1）可根據傳感器識別有無油煙，智能啟動和停止油煙機的抽吸，無需手動操作；

2）在炒、煎、炸時可根據油煙量的大小，自動調節油煙機風量；

3）在燉、煲、蒸、煮時，自動調小抽吸速度，降低耗電量；

4）靜音。讓用戶感覺不到電機運轉的噪音；5）較小體積的電機使得油煙機體積更小。

②熱水器

傳統家用快速燃氣熱水器為了提高用戶使用的安全性，現在多為封閉式燃燒的強排風熱水器，內設鼓風裝置，工作聲響大；此外，由于燃器壓力不適或設置不當，經常出現水不熱或水太燙，有時在洗澡的過程也會出現忽冷忽熱等不適。

180°變頻燃氣熱水器的電機運轉是按機器的實際輸出熱負荷來調節轉速，無需自己手動調整加熱速度，180°永磁同步電機較交流異步電機運轉平穩，因此電機運轉聲音也相對較輕。

③空氣凈化器

空氣凈化器（又稱“空氣清潔器”、空氣清新機），是指能夠吸附、分解或轉化各種空氣污染物（一般包括粉塵、花粉、異味、甲醛之類的裝修污染、細菌、過敏原等），有效提高空氣清潔度的產品，目前以清除室內空氣污染的家用和商用空氣凈化器為主。

市面上普通的空氣凈化器存在噪聲大，長時間開啟比較耗電的問題。在成本相同的情況下，180°變頻空氣凈化器馬達噪聲低，而且會自動根據傳感器感知空氣潔凈度，調節馬達的運轉帶動凈化，節電運行，節省電能。

相比之下，不難看出180度電機控制的前景比較好，盡管變頻電機控制成本比較高，但是它的高性能、靜音、低損耗，為它的有利推廣提供保駕護航的條件，越來越多的家電制造商，開始關注和投資180°電機控制，用以提高家電電器效率和降低噪音。

選購空氣凈化器，無非都是想用其來換取健康清新的空氣。把以一臺空氣凈化器是否安全，是決定其是否可取的基本前提條件。空氣凈化器的外殼、機芯與凈化技術，將會直接影響著空氣凈化器的安全性。凈化技術，應選擇與自然界中的正負離子一樣，并有國外13家機構認證其安全性的離子凈化技術。

國際通行的空氣凈化原理有五種，物理式、靜電式、化學式、負離子式和復合式。一般來說，同時使用多種凈化方式的空氣凈化器，其凈化效果會更佳。例如灰塵、 異味、花粉等大顆粒物質，可以通過物理凈化方式來過濾；而過敏物質、病毒、甲醛等有害物質，則需要化學凈化方式來凈化。

按凈化方式從能動的方向來分，凈化方式從能動的方向來分，又有主動凈化方式（空中凈化）和被動凈化方式（定點凈化）和主被動復合凈化三種。被動凈化方式只 對吸入的空氣有凈化效果；主動的凈化方式對整個空間都會有凈化效果。主被動復合凈化是兩者的相結合，效果也更加好。

3.瑞薩電子8位MCU促進馬達設計

180°變頻馬達里對電機采用的是矢量控制來達到變頻目的，因此，對MCU的要求高，如油煙機、熱水器、空氣凈化器等需要更多的附屬功能如液晶顯示、延時控制等，MCU還需要一些特有的外設如串行通信、強大的定時器等。

瑞薩電子為電機控制開發了包括78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等一系列的8位MCU。該系列產品集成了內部硬件乘法器、定時器、多個通用寄存器、可編程脈沖發生器、獨立的變頻控制模塊，專用于電機控制應用的外設使其更適合中小功率的180°變頻電機。

在180°變頻電機控制算法中要用到坐標變換及逆變換、乘法運算和大量的循環控制，瑞薩電子8位MCU的硬件乘法/除法器都能夠快速進行FOC矢量控制運算，及PID跌代、坐標變換。

該系列8位MCU有6個外部中斷，能夠快速響應外部中斷，如傳感器的反饋信息等，極大的降低了電機控制方案的成本，它有32個8位Bank結構的通用寄存器，使得運行效率更高。

180°變頻電機一般用于中高檔的家用電器中，瑞薩電子8位MCU可編程脈沖發生器能指定脈沖寬度和脈沖周期，這可直接用于家電風機轉速和風量顯示，同時MCU提供在線自編程功能，還有這些MCU無需外部EEPROM，它自身的已經夠用。

此外，瑞薩電子的這些8位MCU 帶有2個專用變頻控制模塊，可以在PWM周期的任意時刻產生中斷，可根據用戶需求在任意時刻對電流進行采樣，可用于控制PWM高阻態輸出的外部信號輸入，可以在非正常情況下快速停止風扇轉動；另外還帶有可編程死區控制。

圖2顯示了8位變頻控制MCU的主要特點，表2則這些功能給出了詳細說明。



 

圖2 瑞薩電子的MCU特點





 





表2 變頻控制用的8位MCU特點

瑞薩電子180°變頻電機控制方案

瑞薩電子開發了一套基于8位MCU uPD78F071x的特有的功能的

180°矢量控制方案HS/DC-8，圖2為系統構成。



圖2 HS/DC-8系統構成

HS/DC-8利用8位MCU的特有的硬件功能來實現180°矢量控制（FOC），通過反饋速度計算出矢量控制的PWM占空比的值，用空間矢量PWM（SVPWM）輸出驅動功率模塊，直接控制電機轉矩，電機的轉速反饋采用霍爾傳感器。

HS/DC-8驅動器適用于額定容量為20W~1KW小功率電機，6~120Hz的電氣角頻率，永磁磁通0.5Wb以下。

相比其他半導體廠商MCU HS/DC-8的馬達控制方案具有以下優勢：

低損耗，MCU中專用的變頻控制的定時器，可實現兩相調制的低損耗PWM方式，可將逆變器中的功率開關管損耗降低30%左右，從而延長驅動器壽命

高效率、低噪聲，由于MCU的硬件乘法器可以快速的實現180°矢量控制算法，方案中又加入了自動相位控制，確保馬達電流始終保持在最小值進行自動控制

豐富的保護和定制功能，依賴于MCU中強大的定時器功能、豐富的IO功能和AD功能，例如死區保護、霍爾類型選定、頻率反饋脈沖數的選定、PWM初始化異常檢測、過壓保護等

低成本，8位MCU節省外部的EEPROM和內部的硬件捕獲單元，使得MCU成本降低