利用SPMC75F2413A單片機(jī)來開發(fā)直流變頻洗衣機(jī)的原理和方法

本文主要介紹利用SPMC75F2413A單片機(jī)來開發(fā)直流變頻洗衣機(jī)的原理和方法。

關(guān)鍵詞：直流變頻 凌陽單片機(jī)?
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1?引言
??? 洗衣機(jī)是一種在家庭中不可缺少的家用電器，發(fā)展非?？?，全自動式洗衣機(jī)因使用方便得到大家的青睞，全自動即進(jìn)水、洗滌、漂洗、甩干等一系列過程自動完成，控制器通常設(shè)有幾種洗滌程序，對不同的衣物可供用戶選擇。變頻控制依其高性能、節(jié)能等優(yōu)點在洗衣機(jī)的控制中得到廣泛應(yīng)用，下面介紹采用凌陽科技公司的SPMC75F2413A和SPCE061A單片機(jī)來設(shè)計的直流變頻洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)。

2?芯片特性簡介
??? SPMC75F2413A是凌陽科技公司開發(fā)的用于變頻驅(qū)動的嵌入式16位微控制器，適用于變頻電動機(jī)驅(qū)動、電源、家電和車內(nèi)風(fēng)扇控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。
特性包括：
◆?凌陽16位u’nSP處理器(ISA 1.2)
◆?工作電壓：4.5V～5.5V
◆?最高運行速度：24MHz
◆?工作溫度： -40 ℃～85 ℃
◆?芯片內(nèi)存儲器：
? ?32KW (32K×16) Flash
? ?2KW (2K×16) SRAM
◆?基于時鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
◆?看門狗定時器
◆?10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
? ?8通道輸入
? ?10us (100kHz)轉(zhuǎn)換時間
◆?串行通訊接口
? ?通用異步串行通訊接口(UART)
? ?標(biāo)準(zhǔn)外圍接口(SPI)
◆?64（QFP80）/53（QFP64、SDIP64）個通用輸入輸出管腳
◆?電源管理
? ?2種低功耗模式：Wait/Standby
? ?每個外設(shè)都可以獨立的供電
◆?兩個比較匹配定時器
◆?5個16位通用定時器
? ?2個用于驅(qū)動電機(jī)的脈寬調(diào)制輸出(互補(bǔ)的3相6路脈寬調(diào)制輸出)?
? ?2個用于速度捕獲
? ?1個用于速度反饋環(huán)
◆?中心(center)或邊沿(edge)脈寬調(diào)制輸出
◆?通過外部錯誤保護(hù)管腳進(jìn)行脈寬調(diào)制輸出保護(hù)
◆?可編程的死區(qū)控制(Dead time control)
◆?脈寬調(diào)制服務(wù)和錯誤中斷發(fā)生
◆?具備驅(qū)動交流感應(yīng)電機(jī)和直流無刷電機(jī)的能力
◆?內(nèi)嵌在線仿真功能（ICE）

3?系統(tǒng)總體方案介紹
??? 整個系統(tǒng)主要由兩部分組成：由SPMC75F2413A控制的DMC控制板和由SPCE061A控制的PANEL板，兩者之間的連接系統(tǒng)方塊圖如圖3-1所示。

圖3-1?? 變頻洗衣機(jī)系統(tǒng)組成框圖

??? PANEL控制器采用16 位SPCE061A控制器，主要完成的功能有：按鍵掃瞄、狀態(tài)顯示與通訊。洗衣機(jī)的控制通過按鍵輸入來選擇操作模式，并可設(shè)定選擇水量、預(yù)約時間，詳細(xì)設(shè)定洗衣、洗凈及脫水的參數(shù)；電源按鍵鈕為起始與驅(qū)動控制電路板的連接，起動或暫停鍵為運轉(zhuǎn)洗衣機(jī)或暫停。運轉(zhuǎn)過程中的剩余時間透過7 段顯示器來顯示。
??? DMC 控制器采用16 位SPMC75F2413A 單芯片控制器，主要完成的功能有：偵測馬達(dá)轉(zhuǎn)子的位置訊號，以120 度方波驅(qū)動PWM 方式驅(qū)動直流無刷馬達(dá)。

4?系統(tǒng)硬件設(shè)計
??? 系統(tǒng)控制包括DMC控制板和PANEL控制板兩部分，下面主要介紹DMC控制板硬件設(shè)計。
4.1 電源電路
??? 圖4-1為EMI 電源濾波器與單相全橋整流器電路，AC 電源輸入接頭為CON1，電壓為220VAC，電源輸入端通過突波吸收器ZNR3以避免過大的電壓突波損壞器件，C8 與C12 串聯(lián)后連接至接地點，通常也可以連接至機(jī)殼。透過全橋整流器DB1整流、C13 濾波后可得到輸出直流電壓。

圖4-1? EMI 電源濾波器

??? 圖4-2為DC/DC電源供應(yīng)電路，電源供應(yīng)器的輸出側(cè)電源為P+18V 與+12V。P+18V 電源輸出后分別透過IC21與IC22 產(chǎn)生P+15V 與P+5V，以供給IPM 功率模塊的工作電壓。而+12V 經(jīng)線性穩(wěn)壓器IC20產(chǎn)生+5V 電源供給SPMC75F2413A 等數(shù)字電路的工作電壓。

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圖4-2?? DC/DC電源供應(yīng)電路

4.2?MCU控制電路
??? 圖4-3為MCU控制電路，此部分的電路主要是以u’nSP? SPMC75F2413A 微控制器為主，CON5連接在線調(diào)試、仿真器ICE。

圖4-3? MCU控制電路

4.3?IPM馬達(dá)驅(qū)動電路
??? 圖4-4為IPM馬達(dá)驅(qū)動電路，因為驅(qū)動的馬達(dá)為三相變頻，因此一般來說微控制器需具備能夠輸出6 個PWM 訊號的能力，SPMC75F2413A 在芯片硬件上可由MCP 與PDC 定時器模塊完成此功能。IPM 模塊內(nèi)集成了驅(qū)動回路與過電流檢測電路，MCU 的PWM 輸出訊號通過光耦送到IPM 模塊，但在實際應(yīng)用上需考慮到對MCU 的保護(hù)以及與快速地對IPM 模塊產(chǎn)生高阻抗訊號，光耦的正常驅(qū)動，因此在電路中加入了IC12 的緩沖電路；過電流回饋訊號經(jīng)光耦合器后連接到FTINx 的輸入腳，以求能夠?qū)PM 模塊快速地保護(hù)。D5、D6、D7、C37、C40 與C43 產(chǎn)生組成自舉電路提供IPM上臂開關(guān)的驅(qū)動信號。

圖4-4? IPM馬達(dá)驅(qū)動電路

4.4 水位檢測電路
??? 圖4-5為洗衣機(jī)的水位檢測電路，CON4連接水位傳感器，水壓大小產(chǎn)生LC 震蕩，壓力越小則頻率越大，反之亦然。當(dāng)接近零水位時，輸出頻率約在27.8KHz。此頻率通過F/V 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸入至芯片內(nèi)ADC 模塊來計算水位高低。
??? F/V 轉(zhuǎn)換電路由IC7所產(chǎn)生，電路組件R33 與C36 形成輸入端高通濾波器以濾除直流電壓，輸出電壓大小由R30、C33 與輸入頻率決定，電壓計算式為: Vo = R30 x C33 x Vcc x Fin；其中Vcc 為+5V、Fin 為輸入頻率。

圖4-5? 水位檢測電路

5?系統(tǒng)軟件設(shè)計
??? 變頻洗衣機(jī)控制器主要以雙MCU 設(shè)計，兩控制器通過串行通訊交換訊息與系統(tǒng)控制，設(shè)定SPCE061A 面板控制器為主機(jī)，SPMC75F2413A 馬達(dá)驅(qū)動控制器為從機(jī)。主機(jī)負(fù)責(zé)整個傳輸?shù)倪^程；從機(jī)端負(fù)責(zé)接收主機(jī)端傳送的命令并執(zhí)行，且需響應(yīng)相對應(yīng)的ACK 訊號給主機(jī)，相對地。當(dāng)使用者在面板控制器上下達(dá)對應(yīng)的運轉(zhuǎn)命令后，從機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行，當(dāng)有異常狀況發(fā)生時，從機(jī)實時回報或直接能夠由主機(jī)檢知，利用顯示電路通知使用者。
??? 因此本系統(tǒng)的軟件開發(fā)包括針對馬達(dá)驅(qū)動、通訊格式與通訊狀態(tài)機(jī)切換、洗衣機(jī)狀態(tài)機(jī)切換、按鍵掃瞄與狀態(tài)顯示等程序為主；以下將針對DMC 控制器與PANEL 控制器重要的程序給予說明。
5.1 直流無刷馬達(dá)驅(qū)動程序
??? 在DMC 控制器主要負(fù)責(zé)直流變頻馬達(dá)驅(qū)動，可區(qū)分為兩大部分：內(nèi)回路的電壓控制與外回路的速度控制。內(nèi)回路電壓控制系針對偵測到的馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置(由霍爾組件讀取得到)，由于馬達(dá)轉(zhuǎn)子為永久磁石結(jié)構(gòu)，因此由微控制器所輸出的電壓訊號需對應(yīng)于所讀取到的霍爾組件訊號，在實際的設(shè)計例中是以定時器Timer3 產(chǎn)生4000Hz 的固定周期的中斷時間，在每次中斷程序中會對霍爾組件輸入接口作讀取的動作，并輸出相應(yīng)的電壓H/L與PWM 訊號，此程序以有限狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)，共區(qū)分3 個狀態(tài)為PHSIDLE、PHSHOLD 與PHSRUN，在PHSIDLE 主要工作在禁能DMC 驅(qū)動器并對調(diào)控參數(shù)進(jìn)行初始化，PHSHOLD 狀態(tài)在保證產(chǎn)生自舉電壓，而PHSRUN 則是真正產(chǎn)生120 度方波訊號，詳細(xì)程序流程可參考如圖5-1 所示。

圖5-1?? 狀態(tài)切換流程

5.2 馬達(dá)轉(zhuǎn)速計算與控制程序
??? 洗衣機(jī)的直流無刷馬達(dá)為同步馬達(dá)，亦即馬達(dá)的機(jī)械轉(zhuǎn)速與磁場旋轉(zhuǎn)頻率為同步的。因此可根據(jù)馬達(dá)的霍爾位置訊號計算脈波寬度的時間即可計算出馬達(dá)的實際轉(zhuǎn)速，達(dá)到閉回路的速度控制。利用SPMC75F2413A的PDC0中斷做相位檢測，TPM2定時器中斷計時來完成位置檢測和速度計算。圖5-2為PDC0和TPM2中斷流程。

圖5.2? PDC0和TPM2中斷流程

??? 其中PDC0_PDCINT_ISR()負(fù)責(zé)檢測霍爾組件的脈波寬度，TMR2_TPRINT_ISR()負(fù)責(zé)當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化時更新實際轉(zhuǎn)速值并作控制。
5.3?串行通訊程序
??? DMC控制器和PANEL 控制器通過UART交換訊息，采用CRC校驗方式，所有的通訊動作的起始、中止與異常檢出皆由PANEL 控制器所主導(dǎo)。
??? DMC 控制器以環(huán)形隊列(circular queue)存儲數(shù)據(jù)，串行字符是以中斷接收并儲存在的緩沖區(qū)中。DMC 控制器檢查所收到的串行字符命令，若所收到的字符組正確無誤，則對相應(yīng)的命令回應(yīng)給PANEL 控制器，若是接收為有效的命令，則執(zhí)行Decode_RxStream()程序以譯碼出控制命令與數(shù)據(jù)，并對PANEL 控制器發(fā)出ACK訊號；反之，若接收為無效的命令，則對PANEL 控制器發(fā)出NACK 的訊息，以利PANEL 控制器作訊息的控制與再傳送的動作。程序流程圖如圖5-3 所示。

圖5-3? 串行通訊程序流程

5.4?PANEL控制器韌體說明
??? 當(dāng)按下『電源』按鍵時，PANEL 控制器將會開始通訊動作，嘗試與DMC 控制器握手特定的訊息內(nèi)容，當(dāng)從回傳的字符組被PANEL 控制器認(rèn)可后，才可接受使用者對洗衣機(jī)的操作；否則，將判定為通訊異常情況發(fā)生。當(dāng)使用者已經(jīng)選擇將洗衣模式與參數(shù)內(nèi)容后，按下『啟動/暫停』按鍵會使馬達(dá)開始運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)預(yù)設(shè)有4 種運轉(zhuǎn)程序，對應(yīng)的洗衣參數(shù)見表5-1：

表5-1 洗衣程序內(nèi)容

??? 上表在P1 程序可單獨調(diào)整個別參數(shù)，但P0、P2 與P3 程序則無法更改系統(tǒng)默認(rèn)值。舉例說明，當(dāng)使用者只需要對作衣物脫水的動作，只需要將洗衣時間、洗衣次數(shù)對應(yīng)的7 段顯示器調(diào)整至不顯示，再調(diào)整所需的脫水時間，按下啟動按鍵，即進(jìn)入脫水模式。
??? 『預(yù)約時間』的設(shè)定則由3 小時至9 小時，每次調(diào)整間隔1 小時。上述功能在軟件設(shè)計上是以定時器中斷執(zhí)行，時間的設(shè)定利用Timer B 定時器（IRQ2 中斷），設(shè)定為8000Hz 頻率中斷，在此程序中分為2 個time slice，分別為Tick1Func 與Tick2Func，程序如圖5-4 所示，因此Tick1Func 與Tick2Func 程序的執(zhí)行頻率為4000Hz。

圖5-4? IRQ2 中斷流程

??? 在Tick1Func程序中，除了對按鍵輸入作掃瞄的動作，另外依據(jù)按下的按鍵內(nèi)容更改SystemT 與SystemF 結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，其中SystemT 主要儲存設(shè)定洗衣參數(shù)內(nèi)容并更新SA7Wash 的結(jié)構(gòu)(用于狀態(tài)機(jī)切換)， ystemF 為紀(jì)錄運轉(zhuǎn)的狀態(tài)標(biāo)志。當(dāng)洗衣參數(shù)被更改后，將會改變預(yù)估洗衣完成時間，并于7 段顯示器中顯示。Tick2Func 程序負(fù)責(zé)掃瞄電路上的顯示電路，采用高速的循序顯示，以節(jié)省IO 接口的資源，此程序并包含依據(jù)水量的預(yù)估來提示使用者所需加入的洗劑量。

6?結(jié)語
??? 該系統(tǒng)采用凌陽科技公司的SPMC75F2413A和SPCE061A單片機(jī)來完成直流變頻洗衣機(jī)的控系統(tǒng)制，SPMC75F2413A為專用于變頻馬達(dá)控制的IC，其強(qiáng)大的PWM輸出功能使得程序開發(fā)非常方便。SPCE061A除了具有普通單片機(jī)的功能以外，還具有語音識別、語音錄放等功能，可以將洗衣機(jī)的一些使用狀態(tài)、常識播報出來。