自適應觀測器技術(shù)如何實現(xiàn)高魯棒性吸塵器控制方案

自適應觀測器技術(shù)：解決有刷、無刷難點問題的突破口？

傳統(tǒng)的有刷電機控制利用機械換向器和電刷實現(xiàn)電機控制，控制簡單，但是易產(chǎn)生火花，且噪聲大、壽命短、可靠性差。相較于無刷直流電機控制技術(shù)，因其常采用反電動勢過零發(fā)檢測轉(zhuǎn)子位置，易實現(xiàn)換相，但是會導致噪聲大，轉(zhuǎn)矩波動大，效率差，低轉(zhuǎn)速反電動勢難檢測等問題；

目前改用直流無刷電機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，但隨之會出現(xiàn)相應的控制難點問題，如因普通常用的滑膜觀測器對電機參數(shù)很敏感，在利用該觀測器調(diào)試驅(qū)動電機時，若不經(jīng)過詳細復雜的軟硬件匹配調(diào)試，很難達到較好的驅(qū)動效果。為了解決該控制難點問題，峰岹科技自主研發(fā)了AO自適應觀測器，利用該觀測器不僅可以實現(xiàn)同一個程序啟動兼容各種不同類型的電機，而且能實現(xiàn)電機超低速不失步。

嵌入AO自適應觀測器的芯片如：峰岹FU6861Q2，是集成電機控制引擎（ME）和 8051 內(nèi)核的高性能電機驅(qū)動專用芯片，8051內(nèi)核處理常規(guī)事務，ME 處理電機實時事務，雙核協(xié)同工作實現(xiàn)各種高性能電機控制。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 電機的方波、SVPWM/SPWM、FOC 驅(qū)動控制。

圖1 FU6861Q2封裝引腳圖

?圖2 FU6861Q2功能框圖

運用自適應觀測器的吸塵器控制方案有哪些優(yōu)勢？

A、強兼容性和高魯棒性

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。吸塵器電池的續(xù)航能力如何，高效率電機設計至關(guān)重要。為了設計出最佳狀態(tài)的吸塵器，吸塵器廠商會經(jīng)常調(diào)整電機匝數(shù)或者結(jié)構(gòu)，如果采用傳統(tǒng)的滑膜FOC方案，由于是基于電機模型去觀測角度，那么電機參數(shù)的調(diào)整就會導致整個啟動，運行以及效率都需要重新匹配。

圖3 實測的其中幾款吸塵機型

峰岹科技AO自適應觀測器具備強大的兼容性，我們實測了8臺不同吸塵器電機，其中包含有V45、V55、V65，3種常見不同尺寸的吸塵器電機，使用同一個產(chǎn)品板+一套固定的程序，每臺電機都能做到順暢啟動，并且零速的時候，估算器也不會失步。

B、效率更高、噪音更低

通過內(nèi)置自適應觀測器對驅(qū)動角度自適應矯正，實現(xiàn)最優(yōu)角度驅(qū)動。實測V45機型吸塵器，最高效率能達到56%（如圖4），而傳統(tǒng)吸塵器效率一般在42%~52%左右，因此自適應觀測器使得方案效率更高，對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測試

實測1對極、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：圖中兩個噪聲尖峰來源于扇葉帶來的7倍頻風噪和兩倍頻的風噪。

圖5 FOC驅(qū)動方式吸塵器噪聲頻譜圖

圖6 方波驅(qū)動方式吸塵器噪聲頻譜圖

C、雙核驅(qū)動實現(xiàn)超高轉(zhuǎn)速

單ME核完成一次FOC運行只有5.6us，對于2對極吸塵器的超高速應用，轉(zhuǎn)速最高會達到150KRPM，電頻率超過5KHZ，此時載波頻率最少要50KHZ左右。這就對FOC估算速度帶來了極大的考驗，對于普通單片機的純軟件的FOC，很難應對高速電機需求，而峰岹科技的雙核驅(qū)動芯片中可實現(xiàn)超高轉(zhuǎn)速，在吸塵器的實際應用方案中，實測電氣轉(zhuǎn)速接近300KPM ，并且能穩(wěn)定運行（如圖7）。

圖7 2對極吸塵器，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)品將更具競爭優(yōu)勢

圖9 應用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：可以實時觀測估算器角度，采樣電流等信息判斷估算和采樣是否異常，如圖10為采樣異常時候，紅色部分為SPI顯示真實采樣的電流波形，藍色部分為實際的相電流波形，可以看出有明顯的信號采樣出錯。（這里采樣電流出錯原因是由于最小采樣窗口太小導致）；如圖11，為采樣正常時候，SPI和實際相電流波形，可以看出兩者完全吻合。

開發(fā)測試DEMO板：峰岹也設計了針對吸塵器客戶使用，模擬產(chǎn)品板的DEMO，客戶可以以最快速的方式驅(qū)動自己的電機，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 采樣異常時候的SPI波形（紅色為SPI顯示采樣波形，藍色位實際相電流波形）

圖11 采樣信號正常時，SPI反饋的采樣電流和實際相電流會完全吻合

在高速吸塵器應用領(lǐng)域，峰岹科技有著豐厚的經(jīng)驗和很高的市場占有率，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，我們在致力于幫助客戶提高品質(zhì)性能，縮減方案設計開發(fā)周期，提升整體競爭優(yōu)勢等方面將不懈努力。

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