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。

 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)展非常快，全自動(dòng)式洗衣機(jī)因使用方便得到大家的青睞，全自動(dòng)即進(jìn)水、洗滌、漂洗、甩干等一系列過程自動(dòng)完成，控制器通常設(shè)有幾種洗滌程序，對(duì)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(diǎn)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(jì)的直流變頻洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)。

2 芯片特性簡(jiǎn)介
    SPMC75F2413A是凌陽科技公司開發(fā)的用于變頻驅(qū)動(dòng)的嵌入式16位微控制器，適用于變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(yùn)行速度：24MHz
◆ 工作溫度： -40 ℃～85 ℃
◆ 芯片內(nèi)存儲(chǔ)器：
   32KW (32K×16) Flash
   2KW (2K×16) SRAM
◆ 基于時(shí)鐘發(fā)生模塊的鎖相環(huán)電路
◆ 看門狗定時(shí)器
◆ 10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
   8通道輸入
   10us (100kHz)轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)通用輸入輸出管腳
◆ 電源管理
   2種低功耗模式：Wait/Standby
   每個(gè)外設(shè)都可以獨(dú)立的供電
◆ 兩個(gè)比較匹配定時(shí)器
◆ 5個(gè)16位通用定時(shí)器
   2個(gè)用于驅(qū)動(dòng)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(gè)用于速度捕獲
   1個(gè)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(cuò)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(cuò)誤中斷發(fā)生
◆ 具備驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)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(dòng)控制電路板的連接，起動(dòng)或暫停鍵為運(yùn)轉(zhuǎn)洗衣機(jī)或暫停。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的剩余時(shí)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(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)子的位置訊號(hào)，以120 度方波驅(qū)動(dòng)PWM 方式驅(qū)動(dòng)直流無刷馬達(dá)。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    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(jì)。
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(diǎn)，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。

 
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(píng)’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(dòng)電路
    圖4-4為IPM馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(gè)PWM 訊號(hào)的能力，SPMC75F2413A 在芯片硬件上可由MCP 與PDC 定時(shí)器模塊完成此功能。IPM 模塊內(nèi)集成了驅(qū)動(dòng)回路與過電流檢測(cè)電路，MCU 的PWM 輸出訊號(hào)通過光耦送到IPM 模塊，但在實(shí)際應(yīng)用上需考慮到對(duì)MCU 的保護(hù)以及與快速地對(duì)IPM 模塊產(chǎn)生高阻抗訊號(hào)，光耦的正常驅(qū)動(dòng)，因此在電路中加入了IC12 的緩沖電路；過電流回饋訊號(hào)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(dòng)信號(hào)。

圖4-4  IPM馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路

4.4 水位檢測(cè)電路
    圖4-5為洗衣機(jī)的水位檢測(cè)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(shí)，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(jì)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(jì)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(cè)電路

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    變頻洗衣機(jī)控制器主要以雙MCU 設(shè)計(jì)，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(dòng)控制器為從機(jī)。主機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)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(duì)應(yīng)的ACK 訊號(hào)給主機(jī)，相對(duì)地。當(dāng)使用者在面板控制器上下達(dá)對(duì)應(yīng)的運(yùn)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(shí)，從機(jī)實(shí)時(shí)回報(bào)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(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、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?yàn)橹鳎灰韵聦⑨槍?duì)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(dòng)程序
    在DMC 控制器主要負(fù)責(zé)直流變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，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(duì)偵測(cè)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(hào)需對(duì)應(yīng)于所讀取到的霍爾組件訊號(hào)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)例中是以定時(shí)器Timer3 產(chǎn)生4000Hz 的固定周期的中斷時(shí)間，在每次中斷程序中會(huì)對(duì)霍爾組件輸入接口作讀取的動(dòng)作，并輸出相應(yīng)的電壓H/L與PWM 訊號(hào)，此程序以有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，共區(qū)分3 個(gè)狀態(tài)為PHSIDLE、PHSHOLD 與PHSRUN，在PHSIDLE 主要工作在禁能DMC 驅(qū)動(dòng)器并對(duì)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(hào)，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(jì)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(chǎng)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(hào)計(jì)算脈波寬度的時(shí)間即可計(jì)算出馬達(dá)的實(shí)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(cè)，TPM2定時(shí)器中斷計(jì)時(shí)來完成位置檢測(cè)和速度計(jì)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(cè)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(shí)更新實(shí)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(yàn)方式，所有的通訊動(dòng)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(duì)列(circular queue)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，串行字符是以中斷接收并儲(chǔ)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(duì)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(duì)PANEL 控制器發(fā)出ACK訊號(hào)；反之，若接收為無效的命令，則對(duì)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(dòng)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(shí)，PANEL 控制器將會(huì)開始通訊動(dòng)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(duì)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『?jiǎn)?dòng)/暫停』按鍵會(huì)使馬達(dá)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)預(yù)設(shè)有4 種運(yùn)轉(zhuǎn)程序，對(duì)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(dú)調(diào)整個(gè)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(duì)作衣物脫水的動(dòng)作，只需要將洗衣時(shí)間、洗衣次數(shù)對(duì)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(shí)間，按下啟動(dòng)按鍵，即進(jìn)入脫水模式。
    『預(yù)約時(shí)間』的設(shè)定則由3 小時(shí)至9 小時(shí)，每次調(diào)整間隔1 小時(shí)。上述功能在軟件設(shè)計(jì)上是以定時(shí)器中斷執(zhí)行，時(shí)間的設(shè)定利用Timer B 定時(shí)器（IRQ2 中斷），設(shè)定為8000Hz 頻率中斷，在此程序中分為2 個(gè)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(duì)按鍵輸入作掃瞄的動(dòng)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(chǔ)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(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)標(biāo)志。當(dāng)洗衣參數(shù)被更改后，將會(huì)改變預(yù)估洗衣完成時(shí)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(shí)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(shí)播報(bào)出來。