自適應(yīng)觀測(cè)器技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)高魯棒性吸塵器控制方案

自適應(yīng)觀測(cè)器技術(shù)：解決有刷、無(wú)刷難點(diǎn)問題的突破口？

傳統(tǒng)的有刷電機(jī)控制利用機(jī)械換向器和電刷實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，控制簡(jiǎn)單，但是易產(chǎn)生火花，且噪聲大、壽命短、可靠性差。相較于無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)，因其常采用反電動(dòng)勢(shì)過零發(fā)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，易實(shí)現(xiàn)換相，但是會(huì)導(dǎo)致噪聲大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，效率差，低轉(zhuǎn)速反電動(dòng)勢(shì)難檢測(cè)等問題；

目前改用直流無(wú)刷電機(jī)FOC控制方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)有刷控制方案是常見的解決方式，但隨之會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的控制難點(diǎn)問題，如因普通常用的滑膜觀測(cè)器對(duì)電機(jī)參數(shù)很敏感，在利用該觀測(cè)器調(diào)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，若不經(jīng)過詳細(xì)復(fù)雜的軟硬件匹配調(diào)試，很難達(dá)到較好的驅(qū)動(dòng)效果。為了解決該控制難點(diǎn)問題，峰岹科技自主研發(fā)了AO自適應(yīng)觀測(cè)器，利用該觀測(cè)器不僅可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)程序啟動(dòng)兼容各種不同類型的電機(jī)，而且能實(shí)現(xiàn)電機(jī)超低速不失步。

嵌入AO自適應(yīng)觀測(cè)器的芯片如：峰岹FU6861Q2，是集成電機(jī)控制引擎（ME）和 8051 內(nèi)核的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，8051內(nèi)核處理常規(guī)事務(wù)，ME 處理電機(jī)實(shí)時(shí)事務(wù)，雙核協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)各種高性能電機(jī)控制。其中 8051內(nèi)核大部分指令周期為 1T 或 2T，芯片內(nèi)部集成有高速運(yùn)算放大器、比較器、高速 ADC、乘/除法器、CRC、SPI、I2C、UART、多種 TIMER、PWM 等功能，內(nèi)置高壓 LDO，適用于 BLDC/PMSM 電機(jī)的方波、SVPWM/SPWM、FOC 驅(qū)動(dòng)控制。

圖1 FU6861Q2封裝引腳圖

?圖2 FU6861Q2功能框圖

運(yùn)用自適應(yīng)觀測(cè)器的吸塵器控制方案有哪些優(yōu)勢(shì)？

A、強(qiáng)兼容性和高魯棒性

家用傳統(tǒng)吸塵逐漸被更加便捷的手持式吸塵器取代，鋰電池的供電方式，續(xù)航成為了大家都非常關(guān)注的性能點(diǎn)。吸塵器電池的續(xù)航能力如何，高效率電機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了設(shè)計(jì)出最佳狀態(tài)的吸塵器，吸塵器廠商會(huì)經(jīng)常調(diào)整電機(jī)匝數(shù)或者結(jié)構(gòu)，如果采用傳統(tǒng)的滑膜FOC方案，由于是基于電機(jī)模型去觀測(cè)角度，那么電機(jī)參數(shù)的調(diào)整就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)啟動(dòng)，運(yùn)行以及效率都需要重新匹配。

圖3 實(shí)測(cè)的其中幾款吸塵機(jī)型

峰岹科技AO自適應(yīng)觀測(cè)器具備強(qiáng)大的兼容性，我們實(shí)測(cè)了8臺(tái)不同吸塵器電機(jī)，其中包含有V45、V55、V65，3種常見不同尺寸的吸塵器電機(jī)，使用同一個(gè)產(chǎn)品板+一套固定的程序，每臺(tái)電機(jī)都能做到順暢啟動(dòng)，并且零速的時(shí)候，估算器也不會(huì)失步。

B、效率更高、噪音更低

通過內(nèi)置自適應(yīng)觀測(cè)器對(duì)驅(qū)動(dòng)角度自適應(yīng)矯正，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)角度驅(qū)動(dòng)。實(shí)測(cè)V45機(jī)型吸塵器，最高效率能達(dá)到56%（如圖4），而傳統(tǒng)吸塵器效率一般在42%~52%左右，因此自適應(yīng)觀測(cè)器使得方案效率更高，對(duì)于鋰電池供電的手持吸塵器的續(xù)航帶來了顯著的提升。

圖4 吸塵器PQ測(cè)試

實(shí)測(cè)1對(duì)極、200W、7葉吸塵器的噪聲頻譜圖，F(xiàn)OC噪聲諧波分量明顯小于方波的驅(qū)動(dòng)方式（如圖5、6），優(yōu)于傳統(tǒng)的有刷和方波控制的吸塵器方案。注：圖中兩個(gè)噪聲尖峰來源于扇葉帶來的7倍頻風(fēng)噪和兩倍頻的風(fēng)噪。

圖5 FOC驅(qū)動(dòng)方式吸塵器噪聲頻譜圖

圖6 方波驅(qū)動(dòng)方式吸塵器噪聲頻譜圖

C、雙核驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)超高轉(zhuǎn)速

單ME核完成一次FOC運(yùn)行只有5.6us，對(duì)于2對(duì)極吸塵器的超高速應(yīng)用，轉(zhuǎn)速最高會(huì)達(dá)到150KRPM，電頻率超過5KHZ，此時(shí)載波頻率最少要50KHZ左右。這就對(duì)FOC估算速度帶來了極大的考驗(yàn)，對(duì)于普通單片機(jī)的純軟件的FOC，很難應(yīng)對(duì)高速電機(jī)需求，而峰岹科技的雙核驅(qū)動(dòng)芯片中可實(shí)現(xiàn)超高轉(zhuǎn)速，在吸塵器的實(shí)際應(yīng)用方案中，實(shí)測(cè)電氣轉(zhuǎn)速接近300KPM ，并且能穩(wěn)定運(yùn)行（如圖7）。

圖7 2對(duì)極吸塵器，電氣轉(zhuǎn)速接近290KRPM的波形

D、方案成本低，外圍器件少，電路簡(jiǎn)潔

采用FU6861Q2的吸塵器方案，由于芯片的高集成度，外圍元器件減少，節(jié)省布板面積，幫助客戶實(shí)現(xiàn)更小型緊湊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，方案BOM成本的降低，產(chǎn)品將更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

圖9 應(yīng)用PCB

E、配置豐富的開發(fā)工具

另外為了更好的支持客戶開發(fā)吸塵器產(chǎn)品，峰岹提供了完善的產(chǎn)品開發(fā)工具，比如：

SPI調(diào)試仿真器：可以實(shí)時(shí)觀測(cè)估算器角度，采樣電流等信息判斷估算和采樣是否異常，如圖10為采樣異常時(shí)候，紅色部分為SPI顯示真實(shí)采樣的電流波形，藍(lán)色部分為實(shí)際的相電流波形，可以看出有明顯的信號(hào)采樣出錯(cuò)。（這里采樣電流出錯(cuò)原因是由于最小采樣窗口太小導(dǎo)致）；如圖11，為采樣正常時(shí)候，SPI和實(shí)際相電流波形，可以看出兩者完全吻合。

開發(fā)測(cè)試DEMO板：峰岹也設(shè)計(jì)了針對(duì)吸塵器客戶使用，模擬產(chǎn)品板的DEMO，客戶可以以最快速的方式驅(qū)動(dòng)自己的電機(jī)，能在產(chǎn)品開發(fā)之初就能大致了解產(chǎn)品的性能，大大的縮短的開發(fā)周期。

圖10 采樣異常時(shí)候的SPI波形（紅色為SPI顯示采樣波形，藍(lán)色位實(shí)際相電流波形）

圖11 采樣信號(hào)正常時(shí)，SPI反饋的采樣電流和實(shí)際相電流會(huì)完全吻合

在高速吸塵器應(yīng)用領(lǐng)域，峰岹科技有著豐厚的經(jīng)驗(yàn)和很高的市場(chǎng)占有率，并且在效率、噪聲、魯棒性、兼容性、溫升等問題上都有可持續(xù)迭代的優(yōu)化策略，我們?cè)谥铝τ趲椭蛻籼岣咂焚|(zhì)性能，縮減方案設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提升整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)等方面將不懈努力。

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