隨著鋰電池應(yīng)用越來(lái)越普及，市場(chǎng)上手持式電動(dòng)工具也越來(lái)越多，目前手持式電動(dòng)工具以有刷或有感方案為主，然而無(wú)刷無(wú)感方案因其諸多優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)占比不斷提高，未來(lái)成為主流是大概率事件。

不過(guò)，某些類(lèi)型的電動(dòng)工具目前的無(wú)感化方案使用體驗(yàn)與有感方案差異較大，主要是因?yàn)闊o(wú)感方案大都基于反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，在啟動(dòng)性能上不及有感方案;在堵轉(zhuǎn)、受迫倒轉(zhuǎn)等情形下則無(wú)法工作，只能停機(jī)。

以此為契機(jī)，中穎獨(dú)立自研了基于SH79F2204的無(wú)感電動(dòng)工具方案，利用與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的凸極效應(yīng)，很好的解決了上述問(wèn)題。力求使無(wú)感方案與有感方案擁有幾乎相同的體驗(yàn)。(受迫倒轉(zhuǎn)的解決算法已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利。)

一、主控芯片簡(jiǎn)介：

SH79F2204的引腳圖：

SH79F2204的主要特性：

基于8051指令流水線結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)

最高48MHz系統(tǒng)工作頻率

集成算術(shù)協(xié)處理器(MDU+CORDIC+SVPWM)

- 單周期32bit硬件移位單元

- 單周期16 × 16bit硬件乘法

- 9周期32 ÷ 16bit硬件除法

- 單周期32bit+32bit加法

- 硬件CORDIC協(xié)處理器(圓函數(shù))

- 兩套操作數(shù)結(jié)果寄存器組可切換

- Q格式數(shù)據(jù)乘法/除法自動(dòng)移位-

可選帶飽和的乘加運(yùn)算

- 帶移相功能的SVPWM生成支持五段式和七段式

- 可硬件實(shí)現(xiàn)FOC算法所需的低通濾波、PI控制和坐標(biāo)變換

ProgramROM(Flash)：32K字節(jié)

ProgramRAM: 8K 字節(jié)

DataRAM：1.5K字節(jié)

類(lèi)EEPROM：最大1K字節(jié)

工作電壓：

- fSYS=128K-48MHz，VDD=2.4V-5.5V

高頻振蕩器：

- 內(nèi)部RC高頻振蕩器：8MHz(全范圍1%精度)

- 內(nèi)部集成無(wú)需外接電容的PLL，最高輸出48MHz

低頻振蕩器：內(nèi)部RC低頻振蕩器：128KHz

30個(gè)CMOS雙向I/O管腳

I/O內(nèi)建上拉電阻

3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2/T3/T4

三路捕捉功能，保存捕捉觸發(fā)條件下的捕捉定時(shí)器值

脈沖寬度調(diào)制模塊(MCM)

- 8路(4對(duì))16位PWM輸出，每對(duì)支持互補(bǔ)或獨(dú)立模式，輸出極性可單獨(dú)控制

- 3種計(jì)數(shù)模式，單次計(jì)數(shù)模式，邊沿對(duì)齊模式，中心對(duì)齊模式(中心對(duì)齊互補(bǔ)模 式下支持對(duì)稱和非對(duì)稱波形)

- 帶死區(qū)產(chǎn)生邏輯及故障檢測(cè)功能

- PWM周期內(nèi)可設(shè)置多個(gè)時(shí)刻硬件觸發(fā)ADC功能

- 可設(shè)置后分頻系數(shù)

- PWM管腳順序可選(代碼選項(xiàng))

中斷源：

- 定時(shí)器2/3/4

- 外部中斷2、3

- 捕捉中斷0/1/2

-ADC

-EUART0、1，SPI&TWI

- MCM模塊PWM周期，歸零和各路占空比中斷

- 模擬比較器1/2

-PWM4周期中斷

9+3通道12位1M sps高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，自動(dòng)觸發(fā)ADC功能，12通道轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖功能

內(nèi)建多輸入模擬施密特比較器器CMP1(可使用AVDD分壓值作為比較基準(zhǔn))

內(nèi)建兩個(gè)高速模擬放大器OP1/2，OP2可當(dāng)作多輸入比較器CMP2使用

2套增強(qiáng)型UART：UART0、UART1

1路8bit無(wú)死區(qū)PWM輸出PWM4

SPI接口(主/從模式)

雙線串行接口TWI(主模式)

內(nèi)建的低電壓復(fù)位功能(取決于代碼選項(xiàng))

-LVR電壓1：4.1V

-LVR電壓2：2.5V

CPU機(jī)器周期：1振蕩周期

看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)

內(nèi)建振蕩器預(yù)熱計(jì)數(shù)器

低功耗工作模式：空閑模式&掉電模式

Flash型

40位可讀MCU識(shí)別碼

工作環(huán)境溫度-40～+105℃

單線仿真接口(同時(shí)支持四線仿真接口，兩套仿真口管腳不復(fù)用)

針對(duì)PRAM的CRC校驗(yàn)?zāi)K

封裝：LQFP32

SH79F2204內(nèi)部方框圖：

以上可知，SH79F2204內(nèi)部資源強(qiáng)大，運(yùn)算高效?；诖诵酒梢圆捎肁DC采樣反電動(dòng)勢(shì)的方案，相對(duì)采用比較器的方案，軟件參與度更高，也因此對(duì)于不同種類(lèi)的電動(dòng)工具應(yīng)用都能很好的適應(yīng)。

二、電機(jī)控制算法簡(jiǎn)介：

1)程序狀態(tài)切換邏輯

無(wú)感有制動(dòng)方案(電鉆、電扳手等)狀態(tài)切換流程圖：

無(wú)感無(wú)制動(dòng)方案(角磨機(jī)，電鋸類(lèi)等)狀態(tài)切換流程圖：

2)電機(jī)控制邏輯：

電機(jī)的控制主要在兩個(gè)中斷程序中完成：載波中斷和換相中斷。

載波中斷程序流程圖：

換相中斷程序流程圖：

三、方案的性能優(yōu)勢(shì)：

1)全速度范圍內(nèi)高效運(yùn)轉(zhuǎn)

對(duì)于BLDC控制方案，梯形波是否對(duì)稱是電機(jī)效率的最重要指標(biāo)，中穎方案采用ADC采樣反電動(dòng)勢(shì)捕捉過(guò)零點(diǎn)，在每個(gè)載波內(nèi)對(duì)不通電相反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行多次采樣，并對(duì)采樣到的值做多種判斷，得出準(zhǔn)確的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。并通過(guò)不同的轉(zhuǎn)速計(jì)算不同的延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換相。以下是電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相端電壓的波形圖。

高速(滿占空比)情形的波形：

低速(占空比<10%)情形的波形：

2)啟動(dòng)、堵轉(zhuǎn)和受迫倒轉(zhuǎn)

目前電動(dòng)工具應(yīng)用的算法有兩個(gè)難點(diǎn)。

一是啟動(dòng)、堵轉(zhuǎn)等0速情形：有感方案依據(jù)霍爾傳感器來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，與電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因此在如電鉆類(lèi)工具發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)可以始終輸出向前的力矩。而無(wú)感方案依據(jù)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置， 0速情形下反電動(dòng)勢(shì)很小或?yàn)?。目前主流的無(wú)感方案大都依靠響應(yīng)極快的速度閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的啟動(dòng)效果，并將堵轉(zhuǎn)作為一種故障來(lái)處理，一旦發(fā)生立即停機(jī)?；谶@類(lèi)方案的電動(dòng)工具不僅在某些使用場(chǎng)景無(wú)法勝任，而且對(duì)于用慣有感甚至有刷方案的用戶來(lái)說(shuō)體驗(yàn)不佳。下圖是一次啟動(dòng)的三相端電壓波形：

下圖是“啟動(dòng)—堵轉(zhuǎn)—釋放再啟動(dòng)”這一過(guò)程的波形：

二是受迫倒轉(zhuǎn)情形，當(dāng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩小于外部施加的反向力，比如鏈鋸卡在木料中時(shí)，使用者可能會(huì)來(lái)回拖拽鋸柄。這種情形下有感或有刷方案允許電機(jī)跟著倒轉(zhuǎn)，并始終輸出向前的力矩，但依靠反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)刷方案只能停機(jī)。

中穎基于SH79F2204的無(wú)感電動(dòng)工具方案利用與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的凸極效應(yīng)，很好的解決了上述問(wèn)題，使無(wú)感方案與有感方案擁有幾乎相同的體驗(yàn)。

3)極快的調(diào)速響應(yīng)為滿足絕大多數(shù)電鉆或電扳手的啟動(dòng)要求，中穎方案從電機(jī)啟動(dòng)到占空比加滿只需40ms，啟動(dòng)成功率100%。

4)超低轉(zhuǎn)速中穎方案低速算法的另一個(gè)好處是占空比理論上可從0開(kāi)始無(wú)極調(diào)速，下面的視頻中給定占空比為2%。

5)系統(tǒng)高度集成化

SH79F2204內(nèi)部集成比較器和運(yùn)放等模擬器件，可減少芯片外部的元器件，使PCB板尺寸更小，更適應(yīng)手持式電動(dòng)工具對(duì)小巧的要求，下圖是一個(gè)12管方案的PCB實(shí)物照片：

審核編輯：湯梓紅