基于中穎SH33F2801的新型變頻洗衣機方案及創新電機啟動及低速運行方法

周學科，王偉智

中穎電子股份有限公司

摘要：

本文基于ARM星辰處理器內核的國產變頻主控芯片SH33F2801，對新型滾筒和波輪變頻洗衣機方案和關鍵技術進行了介紹。同時提出了一種創新的永磁同步電機啟動和低速運行方法，以改善電機啟動和低速效果。

關鍵詞：ARM星辰處理器；SH33F2801；變頻洗衣機；永磁同步電機；啟動和低速運行；

0引言

近年來，隨著高能效變頻調速電機的應用普及，永磁同步電機應用越來越廣泛，配合直流變頻調速系統，在節能環保、高能效方面發揮著越來越重要的作用。

基于直流變頻方案的空調、冰箱、洗衣機，具有噪聲小、平滑變頻、振動輕、節能環保等優勢，逐漸在大家電市場占據越來越高的份額。

變頻洗衣機除了確保洗衣機的節能和靜音外，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、快速正反轉切換、低速運行、負載波動，以及深度弱磁、模糊稱重、偏心檢測等內容，都是變頻洗衣機方案的核心內容，本文基于中穎高性能變頻主控芯片SH33F2801，配合高效的協處理器計算內核，以較高成熟度實現了上述功能，提供了完整的變頻洗衣機控制器方案。

另外，針對傳統觀測器方法在永磁同步電機啟動及低速運行時觀測效果不佳問題，本文提出了一種改進的轉子監測方法，對于改善洗衣機等具有較大啟動慣量的電機的啟動及低速運行問題取得了較好的效果，可以確保啟動成功率、改善低速運行穩定性，并可降低失步的風險。

1變頻洗衣機方案介紹

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產品，該MCU內置單精度浮點運算單元（FPU），支持DSP指令，硬件集成了電機控制常用的正余弦、求模、反正切以及開方運算，還集成了硬件SVPWM波形發生器，可以支持兩組三相電機驅動（雙電機），可以靈活支持定點FOC和浮點FOC方案，具有很高的運算效率。

其他資源包括：

n系統主頻84MHz

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

n128K字節FLASH程序存儲器，16K字節數據RAM

n2.4V～5.5V寬范圍供電

n內嵌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多通道高速模數轉換器（ADC）

n1組專用三相電機控制PWM模塊（MCM）

n2個32位帶3路PWM輸出和輸入捕捉的通用定時器（PCA）

n2個16位基本定時器/計數器（TIM）

n豐富的通信接口（CAN 2.0B/UART/I2C/SPI）

n4個高帶寬模擬放大器（OPA）、1個高速模擬比較器（CMP）

n工業級溫度范圍：-40℃～+105℃

1.2方案介紹

中穎電子為變頻洗衣機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方案，支持電子偏心檢測和電子稱重，其中偏心檢測算法實現了偏心塊重量從0～2公斤，負載重量從0～30公斤的檢測要求，稱重檢測算法覆蓋了負載重量0～32公斤，達到了業界主流水平。

變頻洗衣機方案框圖如下：

圖1 基于中穎SH33F2801/SH32F2601的變頻洗衣機系統方案

電機驅動部分采用無傳感器FOC控制，單電阻采樣，基本算法框圖如下：

圖2 中穎變頻洗衣機無感FOC算法框圖

洗衣機是一個典型的大慣量、低速、負載波動大的大家電產品，啟動過程中有概率會遭遇定位錯誤，反拉，負載波動，堵轉等異常情況，同時變頻洗衣機方案也對低速運行提出了要求，為此我們在傳統的無感FOC方案基礎上，又研究和改進了一種永磁同步電機啟動及低速運行方法，在洗衣機方案中進行了應用，同時在其他大慣量電機方案中也獲得了較好的應用效果。

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

偏心測量結果：偏心塊重量從0～2公斤，負載重量從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的時間。

圖4 電子稱重算法示意圖

稱重測量結果：負載重量從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

洗滌是正反轉交替進行的，要求快速正反轉切換，因此一個完整周期是啟動-加速-勻速-減速-停機，到下一個周期之間會有一個停頓過程。

圖6重載洗滌模式運行時相電流波形（標注4#通道）

圖7 滿負載甩干時相電流波形（標注1#通道）

2啟動及低速運行算法介紹

為了改善啟動及低速運行性能，本文引入了一種新的啟動算法，通過對啟動過程中轉子狀態進行監測，快速獲取定轉子匹配情況，再通過反饋調節驅動參數，從而改善啟動和低速運行的可靠性，算法介紹如下。

2.1 算法引入

使用在定子上建立虛擬坐標系的方法進行分析，該坐標系稱為定子虛擬坐標系，對應的，轉子上的坐標系稱為轉子坐標系。把定轉子理想同步定義為兩個坐標系重合，把定轉子非理想同步定義為兩個坐標系產生了偏差角度（后文簡稱為虛擬坐標偏角，主要針對虛擬坐標系而言），這個偏差角度可能為正也可能為負，甚至時正時負，代表驅動超前、滯后或者前后波動，極端情況下甚至周期性變化，意味著定轉子之間產生了周期性滑動，此時已經不再是嚴格的同步驅動了。

圖中為轉子同步角度，以轉子坐標系來定義，為定子虛擬角度，以定子虛擬坐標系來定義，為兩者之間角度差，即虛擬坐標偏角。對照永磁同步電機時空矢量圖和轉矩角定義，我們發現虛擬坐標偏角和轉矩角成90度關系，意味著虛擬坐標偏角為0度時，對應的轉矩角為90度，處于最大轉矩角度，現象上就是定子驅動矢量以最大轉矩牽引轉子旋轉，不超前也不滯后，處于理想同步狀態。

2.2 公式推導

根據坐標旋轉公式，兩個坐標系間存在如下變換關系：

3結束語

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方案，并對核心算法進行了介紹。同時引入了一種新的啟動及低速運行方法，以解決無傳感器永磁同步電機驅動方案中普遍存在的啟動及低速運行難題。該主控MCU及新的啟動算法在多款變頻大家電的開發中都進行了有效應用，取得了良好的經濟和社會效益。