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基于8位MCU的直流变频抽油烟机解决方案

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关键字: MCU  直流变频  抽油烟机  uPD78F0712
随着对家用电器消费观念的不断变化，消费者对抽油烟机的要求也越来越高。通常吸抽油烟机转速靠人工调节，因此为了达到最佳排油效果及节能目的，往往需要使用者多次人工干预。因此，为了使抽油烟机可实现自动调速、降低噪音、解放人力并最大限度地节能，瑞萨电子（本文涉及产品主要为瑞萨电子原NEC部分）推出了一系列变频控制专用的8位MCU。本文主要介绍了8位MCU――uPD78F0712的主要特点及基于该产品的变频抽油烟机解决方案。
变频抽油烟机的特点
抽油烟机变频的目的是为了通过调整抽油烟机上的带动风扇的电机转速，进而根据油烟量的大小调整油烟抽吸的快慢。优良的调速和节能效果使得变频抽油烟机在性能上明显优越于传统的抽油烟机，而变频抽油烟机根据具体的变频技术有不同的分类和性能特点，如表1所示。

现如今已经有变频抽油烟机面市，但绝大部分是有档位变频抽油烟机，一般分为弱、中、强三档；只有少数知名品牌厂商推出无档位变频抽油烟机。从表1可以看出，相同成本的180°变频抽油烟机要比其他类型的性能要好。
180°变频抽油烟机在实际应用中有以下特点：a.能根据传感器识别有无油烟，智能启动和停止抽油烟机的抽吸而无需手动操作；b.在炒、煎、炸时可根据油烟量的大小自动调节风量；c.在炖、煲、蒸、煮时，自动调小抽吸速度以降低耗电量；e.静音特点让用户感觉不到电机运转的噪音；f.较小体积的电机使得抽油烟机体积更小，同时降低成本。
180°变频对MCU的要求
由于180°变频抽油烟机对电机采用矢量控制以实现变频，因此其对MCU的要求很高。如果抽油烟机需要实现液晶显示、延时控制等功能，MCU还需要诸如串行通信、定时器等专用外设。瑞萨电子为电机变频控制开发了包括78K0/IY2、78K0/IA2、78K0/IB2、uPD78F0712、uPD78F0714、uPD789842和uPD780988等一系列的8位MCU。它们和16位MCU一样集成了内部的硬件乘法器、功能强大的定时器、多个通用寄存器、快速的指令运行系统、可编程脉冲发生器、独立的变频控制模块。专有的硬件功能使得这些8位MCU更适合中小功率的180°变频抽油烟机。
由于180°变频抽油烟机的控制中要用到各种数学变换，变换中有很多乘法运算，因此对MCU要求有快速的乘法运算。瑞萨电子8位MCU的硬件乘法器能够更快执行电机矢量控制的各种变换算法，使抽油烟机反应更快。如果180°变频抽油烟机的电机控制涉及到解耦控制、PID计算，则要求MCU有较强的运算能力和指令运行速度，而一般8位MCU则难以满足要求。
180°变频抽油烟机要求MCU接受风扇转速传感器反馈的信息以进行电机控制。瑞萨电子的这些8位MCU具有多达6个外部中断输入，省却硬件捕获单元对抽油烟机风扇速度传感器信号进行分析，降低抽油烟机内部电机控制方案的成本。而32个8位（16个16位）通用寄存器特有的 Bank结构使得抽油烟机的直流无刷电机的180度矢量控制程序运行效率更高。
180°变频抽油烟机属于中高档类的厨房电器，需要MCU能提供定制的个性化功能。瑞萨电子8位MCU的可编程脉冲发生器（PPG）能指定脉冲宽度、脉冲周期，可用于抽油烟机风扇转速或者风量显示并简化软件的编程，另外还提供在线自编程功能，存储抽油烟机设置参数而无需外部EEPROM，节省成本的同时也省却空间，尤其适合低成本的180°变频抽油烟机控制

此外，这些MCU还具有带2个自由中断专用变频控制模块，以在PWM周期的任意时刻产生中断，根据用户需要的任意时刻对电流进行采样；专用于控制PWM高阻态输出的独立外部信号输入，可在非正常情况下快速停止风扇的转动；以及8位的可编程死区控制(死区时间范围：0.1 s～25.6 s)等。图1显示了8位变频控制MCU的主要特点，表2则这些功能给出了详细说明。

180°变频抽油烟机系统设计
瑞萨电子开发了一套基于8位MCU ――uPD78F071x的低成本180°变频抽油烟机方案HS/DC-8，该方案包括电源和电机控制部分(见图2)。

HS/DC-8正是利用8位MCU的特有的硬件功能来实现抽油烟机的180°变频。HS/DC-8适用于额定容量为20W~1kW中小功率的BLDC电机，6~120Hz的电气角频率和0.5Wb以下的永磁磁通。
相比其他半导体厂商MCU的180°变频抽油烟机方案，HS/DC-8具有以下优势：
低损耗：MCU中专用的变频控制的定时器，可实现两相调制的低损耗PWM方式，可将抽油烟机中电机控制部分的功率开关管损耗降低30％左右，从而延长抽油烟机风扇控制的寿命；
高效率、低噪声：由于MCU的硬件乘法器可以快速的实现180°矢量控制算法，方案中又加入了自动相位控制，确保抽油烟机运行时耗能最小；
丰富的保护和定制功能：依赖于MCU中强大的定时器功能、丰富的IO功能和AD功能，例如死区保护、霍尔类型选定、频率反馈脉冲数的选定、PWM初始化异常检测、过压保护。这些丰富的功能可以给抽油烟机定制特有个性化功能；
低成本：8位MCU节省外部的EEPROM和内部的硬件捕获单元，使得MCU成本降低。

图3是180变频抽油烟机方案实物图。可以看出，180°变频抽油烟机方案，硬件电路板可安装在电机的侧面端盖中，以减小抽油烟机总体积。
专业的技术支持
用户除了能获得瑞萨电子8位MCU低成本、高性能带来的好处，在180°变频抽油烟机产品开发过程还可以获得瑞萨电子授权代理商世强电讯提供的下列技术支持服务：
a) 应用咨询：在方案具体应用时，世强电讯可根据客户具体的抽油烟机设计需求，提供电机使用的建议，例如使用什么样的电机可以达到节能、成本最低的效果。
b) 方案设计：180°变频抽油烟机方案需要根据具体的产品市场、用户对象定制不同的功能。世强电讯可帮助客户在产品设计中，为变频抽油烟机量身订制，修改HS/DC-8的方案。
c) 硬件参考设计：HS/DC-8可以提供硬件参考设计并且给用户预备了功能丰富的外部硬件接口，实际用户使用时需要设计产品自身的硬件接口以便能对HS/DC-8进行外部的控制。例如可以增加通讯硬件功能，人机界面硬件功能。
d) 软件设计：HS/DC-8已经提供了丰富的保护和定制功能，以适应各种不同的180°变频抽油烟机产品，世强电讯可以帮助用户设定参数，产品软件调试等。
作者：高永生
应用工程师