基于中穎SH33F2801變頻主控MCU的波輪和滾筒變頻洗衣機(jī)方案

基于中穎SH33F2801的新型變頻洗衣機(jī)方案及創(chuàng)新電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法

周學(xué)科，王偉智

中穎電子股份有限公司

摘要：

本文基于ARM星辰處理器內(nèi)核的國產(chǎn)變頻主控芯片SH33F2801，對新型滾筒和波輪變頻洗衣機(jī)方案和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。同時(shí)提出了一種創(chuàng)新的永磁同步電機(jī)啟動(dòng)和低速運(yùn)行方法，以改善電機(jī)啟動(dòng)和低速效果。

關(guān)鍵詞：ARM星辰處理器；SH33F2801；變頻洗衣機(jī)；永磁同步電機(jī)；啟動(dòng)和低速運(yùn)行；

0引言

近年來，隨著高能效變頻調(diào)速電機(jī)的應(yīng)用普及，永磁同步電機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，配合直流變頻調(diào)速系統(tǒng)，在節(jié)能環(huán)保、高能效方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

基于直流變頻方案的空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)，具有噪聲小、平滑變頻、振動(dòng)輕、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，逐漸在大家電市場占據(jù)越來越高的份額。

變頻洗衣機(jī)除了確保洗衣機(jī)的節(jié)能和靜音外，還能提供衣服的柔順洗滌，提高洗衣的洗凈效果，同時(shí)還能提供電子模糊稱重、電子偏心檢測等輔助功能，增加了產(chǎn)品的附加值。

無論是波輪還是滾筒方案，快速啟停、快速正反轉(zhuǎn)切換、低速運(yùn)行、負(fù)載波動(dòng)，以及深度弱磁、模糊稱重、偏心檢測等內(nèi)容，都是變頻洗衣機(jī)方案的核心內(nèi)容，本文基于中穎高性能變頻主控芯片SH33F2801，配合高效的協(xié)處理器計(jì)算內(nèi)核，以較高成熟度實(shí)現(xiàn)了上述功能，提供了完整的變頻洗衣機(jī)控制器方案。

另外，針對傳統(tǒng)觀測器方法在永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行時(shí)觀測效果不佳問題，本文提出了一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)子監(jiān)測方法，對于改善洗衣機(jī)等具有較大啟動(dòng)慣量的電機(jī)的啟動(dòng)及低速運(yùn)行問題取得了較好的效果，可以確保啟動(dòng)成功率、改善低速運(yùn)行穩(wěn)定性，并可降低失步的風(fēng)險(xiǎn)。

1變頻洗衣機(jī)方案介紹

1.1 主控芯片介紹

SH33F2801是中穎電子于2020年推出的32位ARM“星辰（star）”處理器系列的主控MCU產(chǎn)品，該MCU內(nèi)置單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），支持DSP指令，硬件集成了電機(jī)控制常用的正余弦、求模、反正切以及開方運(yùn)算，還集成了硬件SVPWM波形發(fā)生器，可以支持兩組三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)（雙電機(jī)），可以靈活支持定點(diǎn)FOC和浮點(diǎn)FOC方案，具有很高的運(yùn)算效率。

其他資源包括：

n系統(tǒng)主頻84MHz

n指令預(yù)取指（Prefetch），高速緩存（Cache），可選的代碼用高速RAM

n128K字節(jié)FLASH程序存儲器，16K字節(jié)數(shù)據(jù)RAM

n2.4V～5.5V寬范圍供電

n內(nèi)嵌8MHz振蕩器，常溫0.2%精度，全溫度范圍1%精度，無需外部晶體振蕩器

n12位精度，2MSPS多通道高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

n1組專用三相電機(jī)控制PWM模塊（MCM）

n2個(gè)32位帶3路PWM輸出和輸入捕捉的通用定時(shí)器（PCA）

n2個(gè)16位基本定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TIM）

n豐富的通信接口（CAN 2.0B/UART/I2C/SPI）

n4個(gè)高帶寬模擬放大器（OPA）、1個(gè)高速模擬比較器（CMP）

n工業(yè)級溫度范圍：-40℃～+105℃

1.2方案介紹

中穎電子為變頻洗衣機(jī)方案提供了兩種主控芯片：SH33F2801和SH32F2601，后者是前者的精簡資源版本，只提供64K FLASH，不支持FPU和CAN。

中穎提供滾筒和波輪兩種洗衣機(jī)方案，支持電子偏心檢測和電子稱重，其中偏心檢測算法實(shí)現(xiàn)了偏心塊重量從0～2公斤，負(fù)載重量從0～30公斤的檢測要求，稱重檢測算法覆蓋了負(fù)載重量0～32公斤，達(dá)到了業(yè)界主流水平。

變頻洗衣機(jī)方案框圖如下：

圖1 基于中穎SH33F2801/SH32F2601的變頻洗衣機(jī)系統(tǒng)方案

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用無傳感器FOC控制，單電阻采樣，基本算法框圖如下：

圖2 中穎變頻洗衣機(jī)無感FOC算法框圖

洗衣機(jī)是一個(gè)典型的大慣量、低速、負(fù)載波動(dòng)大的大家電產(chǎn)品，啟動(dòng)過程中有概率會遭遇定位錯(cuò)誤，反拉，負(fù)載波動(dòng)，堵轉(zhuǎn)等異常情況，同時(shí)變頻洗衣機(jī)方案也對低速運(yùn)行提出了要求，為此我們在傳統(tǒng)的無感FOC方案基礎(chǔ)上，又研究和改進(jìn)了一種永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法，在洗衣機(jī)方案中進(jìn)行了應(yīng)用，同時(shí)在其他大慣量電機(jī)方案中也獲得了較好的應(yīng)用效果。

1.3 電子偏心檢測算法（ElectricalOOB）

電子偏心檢測采用速度波動(dòng)法，檢測速度的最大和最小值。

圖3 電子偏心檢測算法示意圖

偏心測量結(jié)果：偏心塊重量從0～2公斤，負(fù)載重量從0～30公斤。

1.4 電子稱重算法（ElectricalWeight）

電子稱重使用加速度檢測法，檢測從速度n1加速到速度n2的時(shí)間。

圖4 電子稱重算法示意圖

稱重測量結(jié)果：負(fù)載重量從0～32公斤。

1.5 程序流程及電流波形

洗滌和甩干模式程序流程：

圖5 洗滌和甩干模式程序流程圖

洗滌是正反轉(zhuǎn)交替進(jìn)行的，要求快速正反轉(zhuǎn)切換，因此一個(gè)完整周期是啟動(dòng)-加速-勻速-減速-停機(jī)，到下一個(gè)周期之間會有一個(gè)停頓過程。

圖6重載洗滌模式運(yùn)行時(shí)相電流波形（標(biāo)注4#通道）

圖7 滿負(fù)載甩干時(shí)相電流波形（標(biāo)注1#通道）

2啟動(dòng)及低速運(yùn)行算法介紹

為了改善啟動(dòng)及低速運(yùn)行性能，本文引入了一種新的啟動(dòng)算法，通過對啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，快速獲取定轉(zhuǎn)子匹配情況，再通過反饋調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，從而改善啟動(dòng)和低速運(yùn)行的可靠性，算法介紹如下。

2.1 算法引入

使用在定子上建立虛擬坐標(biāo)系的方法進(jìn)行分析，該坐標(biāo)系稱為定子虛擬坐標(biāo)系，對應(yīng)的，轉(zhuǎn)子上的坐標(biāo)系稱為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系。把定轉(zhuǎn)子理想同步定義為兩個(gè)坐標(biāo)系重合，把定轉(zhuǎn)子非理想同步定義為兩個(gè)坐標(biāo)系產(chǎn)生了偏差角度（后文簡稱為虛擬坐標(biāo)偏角，主要針對虛擬坐標(biāo)系而言），這個(gè)偏差角度可能為正也可能為負(fù)，甚至?xí)r正時(shí)負(fù)，代表驅(qū)動(dòng)超前、滯后或者前后波動(dòng)，極端情況下甚至周期性變化，意味著定轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生了周期性滑動(dòng)，此時(shí)已經(jīng)不再是嚴(yán)格的同步驅(qū)動(dòng)了。

圖中為轉(zhuǎn)子同步角度，以轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系來定義，為定子虛擬角度，以定子虛擬坐標(biāo)系來定義，為兩者之間角度差，即虛擬坐標(biāo)偏角。對照永磁同步電機(jī)時(shí)空矢量圖和轉(zhuǎn)矩角定義，我們發(fā)現(xiàn)虛擬坐標(biāo)偏角和轉(zhuǎn)矩角成90度關(guān)系，意味著虛擬坐標(biāo)偏角為0度時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩角為90度，處于最大轉(zhuǎn)矩角度，現(xiàn)象上就是定子驅(qū)動(dòng)矢量以最大轉(zhuǎn)矩牽引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，不超前也不滯后，處于理想同步狀態(tài)。

2.2 公式推導(dǎo)

根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式，兩個(gè)坐標(biāo)系間存在如下變換關(guān)系：

3結(jié)束語

綜上，本文基于中穎SH33F2801變頻主控MCU給出了完整的波輪和滾筒變頻洗衣機(jī)方案，并對核心算法進(jìn)行了介紹。同時(shí)引入了一種新的啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法，以解決無傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中普遍存在的啟動(dòng)及低速運(yùn)行難題。該主控MCU及新的啟動(dòng)算法在多款變頻大家電的開發(fā)中都進(jìn)行了有效應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。