基于中颖SH79F2211的手持式无感FOC吸尘器方案
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：
图1、sh79f2211管脚分布图
sh79f2211的主要特性：
基于8051指令流水线结构的8位单片机
- 最高84mhz系统工作频率
集成算术协处理器（mdu+cordic+svpwm）
- 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
集成三相全桥mosfet/igbt 门极驱动
- 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
集成15v开关电源稳压器（dcdc1）
- 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）
中断源：
- 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
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
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）
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
集成5v线性稳压器（ldo5）
-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
flash rom：32k字节
ram：1.5k字节
类eeprom：2048字节
mcu工作电压：fosc=400k -84mhz，vdd= 2.4v - 5.5v
高频振荡器：
- 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
低频振荡器：内部rc低频振荡器：128khz
最多27个cmos双向i/o管脚
i/o内建上拉电阻
3个16位定时器/计数器t2/t3/t4
三路捕捉功能，保存捕捉触发条件下的捕捉定时器值
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
2套增强型uart：uart0、uart1
1路8bit无死区pwm输出pwm4
spi接口（主/从模式）
双线串行接口twi（主模式）
内建的低电压复位功能（代码选项）
- lvr电压1：4.1v
- lvr电压2：2.5v
cpu机器周期：
- 1振荡周期
看门狗定时器（wdt）
内建振荡器预热计数器
低功耗工作模式：
- 空闲模式
- 掉电模式
flash型
40位可读mcu识别码
工作环境温度-40～+105℃
单线仿真接口（同时支持四线仿真接口）
封装：
- tqfp48 / qfn48
sh79f2211内部方框图：
图2、sh79f2211内部方框图
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：
图3、中颖无感foc控制框图
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：
图4、f2211硬件饱和移相功能
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：
图5、f2211弱磁策略
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：
图6、f2211吸尘器方案原理图及实物图
5）f2211方案静止启动波形：
图7、吸尘器方案启动波形
6）f2211方案连续断电顺风启动波形：
图8、吸尘器连续掉电顺风启动波形
7）f2211方案稳定运行波形：
图9、吸尘器方案稳定运行波形图
8）f2211方案150000rpm波形：
图10、吸尘器最高电频率波形图
9）f2211方案效率实测数据：
来源：中颖电子
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1. 主控芯片简介：
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图1、sh79f2211管脚分布图
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- 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
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- 集成vcc/vbs欠压保护功能，输出关闭
集成15v开关电源稳压器（dcdc1）
- 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）
中断源：
- 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
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
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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
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-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
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ram：1.5k字节
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高频振荡器：
- 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
低频振荡器：内部rc低频振荡器：128khz
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spi接口（主/从模式）
双线串行接口twi（主模式）
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- lvr电压1：4.1v
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cpu机器周期：
- 1振荡周期
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内建振荡器预热计数器
低功耗工作模式：
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- 掉电模式
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封装：
- tqfp48 / qfn48
sh79f2211内部方框图：
图2、sh79f2211内部方框图
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：
图3、中颖无感foc控制框图
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：
图4、f2211硬件饱和移相功能
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：
图5、f2211弱磁策略
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：
图6、f2211吸尘器方案原理图及实物图
5）f2211方案静止启动波形：
图7、吸尘器方案启动波形
6）f2211方案连续断电顺风启动波形：
图8、吸尘器连续掉电顺风启动波形
7）f2211方案稳定运行波形：
图9、吸尘器方案稳定运行波形图
8）f2211方案150000rpm波形：
图10、吸尘器最高电频率波形图
9）f2211方案效率实测数据：
来源：中颖电子
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