基于中颖SH33F2801变频主控MCU的波轮和滚筒变频洗衣机方案

基于中颖SH33F2801的新型变频洗衣机方案及创新电机启动及低速运行方法

周学科，王伟智

中颖电子股份有限公司

摘要：

本文基于ARM星辰处理器内核的国产变频主控芯片SH33F2801，对新型滚筒和波轮变频洗衣机方案和关键技术进行了介绍。同时提出了一种创新的永磁同步电机启动和低速运行方法，以改善电机启动和低速效果。

关键词：ARM星辰处理器；SH33F2801；变频洗衣机；永磁同步电机；启动和低速运行；

0引言

近年来，随着高能效变频调速电机的应用普及，永磁同步电机应用越来越广泛，配合直流变频调速系统，在节能环保、高能效方面发挥着越来越重要的作用。

基于直流变频方案的空调、冰箱、洗衣机，具有噪声小、平滑变频、振动轻、节能环保等优势，逐渐在大家电市场占据越来越高的份额。

变频洗衣机除了确保洗衣机的节能和静音外，还能提供衣服的柔顺洗涤，提高洗衣的洗净效果，同时还能提供电子模糊称重、电子偏心检测等辅助功能，增加了产品的附加值。

无论是波轮还是滚筒方案，快速启停、快速正反转切换、低速运行、负载波动，以及深度弱磁、模糊称重、偏心检测等内容，都是变频洗衣机方案的核心内容，本文基于中颖高性能变频主控芯片SH33F2801，配合高效的协处理器计算内核，以较高成熟度实现了上述功能，提供了完整的变频洗衣机控制器方案。

另外，针对传统观测器方法在永磁同步电机启动及低速运行时观测效果不佳问题，本文提出了一种改进的转子监测方法，对于改善洗衣机等具有较大启动惯量的电机的启动及低速运行问题取得了较好的效果，可以确保启动成功率、改善低速运行稳定性，并可降低失步的风险。

1变频洗衣机方案介绍

1.1 主控芯片介绍

SH33F2801是中颖电子于2020年推出的32位ARM“星辰（star）”处理器系列的主控MCU产品，该MCU内置单精度浮点运算单元（FPU），支持DSP指令，硬件集成了电机控制常用的正余弦、求模、反正切以及开方运算，还集成了硬件SVPWM波形发生器，可以支持两组三相电机驱动（双电机），可以灵活支持定点FOC和浮点FOC方案，具有很高的运算效率。

其他资源包括：

n系统主频84MHz

n指令预取指（Prefetch），高速缓存（Cache），可选的代码用高速RAM

n128K字节FLASH程序存储器，16K字节数据RAM

n2.4V～5.5V宽范围供电

n内嵌8MHz振荡器，常温0.2%精度，全温度范围1%精度，无需外部晶体振荡器

n12位精度，2MSPS多通道高速模数转换器（ADC）

n1组专用三相电机控制PWM模块（MCM）

n2个32位带3路PWM输出和输入捕捉的通用定时器（PCA）

n2个16位基本定时器/计数器（TIM）

n丰富的通信接口（CAN 2.0B/UART/I2C/SPI）

n4个高带宽模拟放大器（OPA）、1个高速模拟比较器（CMP）

n工业级温度范围：-40℃～+105℃

1.2方案介绍

中颖电子为变频洗衣机方案提供了两种主控芯片：SH33F2801和SH32F2601，后者是前者的精简资源版本，只提供64K FLASH，不支持FPU和CAN。

中颖提供滚筒和波轮两种洗衣机方案，支持电子偏心检测和电子称重，其中偏心检测算法实现了偏心块重量从0～2公斤，负载重量从0～30公斤的检测要求，称重检测算法覆盖了负载重量0～32公斤，达到了业界主流水平。

变频洗衣机方案框图如下：

图1 基于中颖SH33F2801/SH32F2601的变频洗衣机系统方案

电机驱动部分采用无传感器FOC控制，单电阻采样，基本算法框图如下：

图2 中颖变频洗衣机无感FOC算法框图

洗衣机是一个典型的大惯量、低速、负载波动大的大家电产品，启动过程中有概率会遭遇定位错误，反拉，负载波动，堵转等异常情况，同时变频洗衣机方案也对低速运行提出了要求，为此我们在传统的无感FOC方案基础上，又研究和改进了一种永磁同步电机启动及低速运行方法，在洗衣机方案中进行了应用，同时在其他大惯量电机方案中也获得了较好的应用效果。

1.3 电子偏心检测算法（ElectricalOOB）

电子偏心检测采用速度波动法，检测速度的最大和最小值。

图3 电子偏心检测算法示意图

偏心测量结果：偏心块重量从0～2公斤，负载重量从0～30公斤。

1.4 电子称重算法（ElectricalWeight）

电子称重使用加速度检测法，检测从速度n1加速到速度n2的时间。

图4 电子称重算法示意图

称重测量结果：负载重量从0～32公斤。

1.5 程序流程及电流波形

洗涤和甩干模式程序流程：

图5 洗涤和甩干模式程序流程图

洗涤是正反转交替进行的，要求快速正反转切换，因此一个完整周期是启动-加速-匀速-减速-停机，到下一个周期之间会有一个停顿过程。

图6重载洗涤模式运行时相电流波形（标注4#通道）

图7 满负载甩干时相电流波形（标注1#通道）

2启动及低速运行算法介绍

为了改善启动及低速运行性能，本文引入了一种新的启动算法，通过对启动过程中转子状态进行监测，快速获取定转子匹配情况，再通过反馈调节驱动参数，从而改善启动和低速运行的可靠性，算法介绍如下。

2.1 算法引入

使用在定子上建立虚拟坐标系的方法进行分析，该坐标系称为定子虚拟坐标系，对应的，转子上的坐标系称为转子坐标系。把定转子理想同步定义为两个坐标系重合，把定转子非理想同步定义为两个坐标系产生了偏差角度（后文简称为虚拟坐标偏角，主要针对虚拟坐标系而言），这个偏差角度可能为正也可能为负，甚至时正时负，代表驱动超前、滞后或者前后波动，极端情况下甚至周期性变化，意味着定转子之间产生了周期性滑动，此时已经不再是严格的同步驱动了。

图中为转子同步角度，以转子坐标系来定义，为定子虚拟角度，以定子虚拟坐标系来定义，为两者之间角度差，即虚拟坐标偏角。对照永磁同步电机时空矢量图和转矩角定义，我们发现虚拟坐标偏角和转矩角成90度关系，意味着虚拟坐标偏角为0度时，对应的转矩角为90度，处于最大转矩角度，现象上就是定子驱动矢量以最大转矩牵引转子旋转，不超前也不滞后，处于理想同步状态。

2.2 公式推导

根据坐标旋转公式，两个坐标系间存在如下变换关系：

3结束语

综上，本文基于中颖SH33F2801变频主控MCU给出了完整的波轮和滚筒变频洗衣机方案，并对核心算法进行了介绍。同时引入了一种新的启动及低速运行方法，以解决无传感器永磁同步电机驱动方案中普遍存在的启动及低速运行难题。该主控MCU及新的启动算法在多款变频大家电的开发中都进行了有效应用，取得了良好的经济和社会效益。

审核编辑：汤梓红