基于瑞薩電子8位MCU的直流變頻抽油煙機解決方案

隨著對家用電器消費觀念的不斷變化，消費者對抽油煙機的要求也越來越高。通常吸抽油煙機轉(zhuǎn)速靠人工調(diào)節(jié)，因此為了達到最佳排油效果及節(jié)能目的，往往需要使用者多次人工干預(yù)。因此，為了使抽油煙機可實現(xiàn)自動調(diào)速、降低噪音、解放人力并最大限度地節(jié)能，瑞薩電子（本文涉及產(chǎn)品主要為瑞薩電子原NEC部分）推出了一系列變頻控制專用的8位MCU。本文主要介紹了8位MCU――uPD78F0712的主要特點及基于該產(chǎn)品的變頻抽油煙機解決方案。

變頻抽油煙機的特點

抽油煙機變頻的目的是為了通過調(diào)整抽油煙機上的帶動風(fēng)扇的電機轉(zhuǎn)速，進而根據(jù)油煙量的大小調(diào)整油煙抽吸的快慢。優(yōu)良的調(diào)速和節(jié)能效果使得變頻抽油煙機在性能上明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)的抽油煙機，而變頻抽油煙機根據(jù)具體的變頻技術(shù)有不同的分類和性能特點，如表1所示。

表1 ：各種變頻抽油煙機的關(guān)系和特點

現(xiàn)如今已經(jīng)有變頻抽油煙機面市，但絕大部分是有檔位變頻抽油煙機，一般分為弱、中、強三檔；只有少數(shù)知名品牌廠商推出無檔位變頻抽油煙機。從表1可以看出，相同成本的180°變頻抽油煙機要比其他類型的性能要好。

180°變頻抽油煙機在實際應(yīng)用中有以下特點：a.能根據(jù)傳感器識別有無油煙，智能啟動和停止抽油煙機的抽吸而無需手動操作；b.在炒、煎、炸時可根據(jù)油煙量的大小自動調(diào)節(jié)風(fēng)量；c.在燉、煲、蒸、煮時，自動調(diào)小抽吸速度以降低耗電量；e.靜音特點讓用戶感覺不到電機運轉(zhuǎn)的噪音；f.較小體積的電機使得抽油煙機體積更小，同時降低成本。

180°變頻對MCU的要求

由于180°變頻抽油煙機對電機采用矢量控制以實現(xiàn)變頻，因此其對MCU的要求很高。如果抽油煙機需要實現(xiàn)液晶顯示、延時控制等功能，MCU還需要諸如串行通信、定時器等專用外設(shè)。瑞薩電子為電機變頻控制開發(fā)了包括78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等一系列的8位MCU。它們和16位MCU一樣集成了內(nèi)部的硬件乘法器、功能強大的定時器、多個通用寄存器、快速的指令運行系統(tǒng)、可編程脈沖發(fā)生器、獨立的變頻控制模塊。專有的硬件功能使得這些8位MCU更適合中小功率的180°變頻抽油煙機。

由于180°變頻抽油煙機的控制中要用到各種數(shù)學(xué)變換，變換中有很多乘法運算，因此對MCU要求有快速的乘法運算。瑞薩電子8位MCU的硬件乘法器能夠更快執(zhí)行電機矢量控制的各種變換算法，使抽油煙機反應(yīng)更快。如果180°變頻抽油煙機的電機控制涉及到解耦控制、PID計算，則要求MCU有較強的運算能力和指令運行速度，而一般8位MCU則難以滿足要求。

180°變頻抽油煙機要求MCU接受風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器反饋的信息以進行電機控制。瑞薩電子的這些8位MCU具有多達6個外部中斷輸入，省卻硬件捕獲單元對抽油煙機風(fēng)扇速度傳感器信號進行分析，降低抽油煙機內(nèi)部電機控制方案的成本。而32個8位（16個16位）通用寄存器特有的 Bank結(jié)構(gòu)使得抽油煙機的直流無刷電機的180度矢量控制程序運行效率更高。

程脈沖發(fā)生器（PPG）能指定脈沖寬度、脈沖周期，可用于抽油煙機風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或者風(fēng)量顯示并簡化軟件的編程，另外還提供在線自編程功能，存儲抽油煙機設(shè)置參數(shù)而無需外部EEPROM，節(jié)省成本的同時也省卻空間，尤其適合低成本的180°變頻抽油煙機控制。

此外，這些MCU還具有帶2個自由中斷專用變頻控制模塊，以在PWM周期的任意時刻產(chǎn)生中斷，根據(jù)用戶需要的任意時刻對電流進行采樣；專用于控制PWM高阻態(tài)輸出的獨立外部信號輸入，可在非正常情況下快速停止風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動；以及8位的可編程死區(qū)控制(死區(qū)時間范圍：0.1 s～25.6 s)等。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。

8bit 變頻控制MCU特點
環(huán)境溫度：-40℃~85℃
圖2 ：瑞薩電子（原NEC電子部分）MCU的特點

表2：變頻控制用的8位MCU特點 

180°變頻抽油煙機系統(tǒng)設(shè)計

瑞薩電子開發(fā)了一套基于8位MCU ――uPD78F071x的低成本180°變頻抽油煙機方案HS/DC-8，該方案包括電源和電機控制部分(見圖3)。

圖3：HS/DC-8系統(tǒng)構(gòu)成

HS/DC-8正是利用8位MCU的特有的硬件功能來實現(xiàn)抽油煙機的180°變頻。HS/DC-8適用于額定容量為20W~1kW中小功率的BLDC電機，6~120Hz的電氣角頻率和0.5Wb以下的永磁磁通。

相比其他半導(dǎo)體廠商MCU的180°變頻抽油煙機方案，HS/DC-8具有以下優(yōu)勢：

低損耗：MCU中專用的變頻控制的定時器，可實現(xiàn)兩相調(diào)制的低損耗PWM方式，可將抽油煙機中電機控制部分的功率開關(guān)管損耗降低30％左右，從而延長抽油煙機風(fēng)扇控制的壽命；

高效率、低噪聲：由于MCU的硬件乘法器可以快速的實現(xiàn)180°矢量控制算法，方案中又加入了自動相位控制，確保抽油煙機運行時耗能最??；

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(qū)保護、霍爾類型選定、頻率反饋脈沖數(shù)的選定、PWM初始化異常檢測、過壓保護。這些豐富的功能可以給抽油煙機定制特有個性化功能；

低成本：8位MCU節(jié)省外部的EEPROM和內(nèi)部的硬件捕獲單元，使得MCU成本降低。

圖4 ：180°變頻抽油煙機方案

圖4是180變頻抽油煙機方案實物圖?？梢钥闯觯?80°變頻抽油煙機方案，硬件電路板可安裝在電機的側(cè)面端蓋中，以減小抽油煙機總體積。

專業(yè)的技術(shù)支持

用戶除了能獲得瑞薩電子8位MCU低成本、高性能帶來的好處，在180°變頻抽油煙機產(chǎn)品開發(fā)過程還可以獲得瑞薩電子授權(quán)代理商世強電訊提供的下列技術(shù)支持服務(wù)：

a)應(yīng)用咨詢：在方案具體應(yīng)用時，世強電訊可根據(jù)客戶具體的抽油煙機設(shè)計需求，提供電機使用的建議，例如使用什么樣的電機可以達到節(jié)能、成本最低的效果。

b)方案設(shè)計：180°變頻抽油煙機方案需要根據(jù)具體的產(chǎn)品市場、用戶對象定制不同的功能。世強電訊可幫助客戶在產(chǎn)品設(shè)計中，為變頻抽油煙機量身訂制，修改HS/DC-8的方案。

c)硬件參考設(shè)計：HS/DC-8可以提供硬件參考設(shè)計并且給用戶預(yù)備了功能豐富的外部硬件接口，實際用戶使用時需要設(shè)計產(chǎn)品自身的硬件接口以便能對HS/DC-8進行外部的控制。例如可以增加通訊硬件功能，人機界面硬件功能。

d)軟件設(shè)計：HS/DC-8已經(jīng)提供了豐富的保護和定制功能，以適應(yīng)各種不同的180°變頻抽油煙機產(chǎn)品，世強電訊可以幫助用戶設(shè)定參數(shù)，產(chǎn)品軟件調(diào)試等。