张辉珉
华帝股份有限公司
摘要：目前，节能已经成为未来家电的发展方向，在人们日常生活中所使用的吸油烟机，排烟风扇所使用的电机一般都是交流电机，吸油烟机在家庭里也属于每天都要使用的电器，虽然每次使用时间不长，但由于目前使用的交流电机效率太低，能耗大，噪音大等等。而采用直流变频电机则可以提高效率、降低噪音的效果。基于此，本文主要介绍了吸油烟机直流变频技术工作原理及应用优势与实现方案进行了分析与探讨，以供同仁参考。
关键词：吸油烟机；直流变频吸油烟机；工作原理；应用优势；实现方案
一、前言
近年来，随着我国城镇经济的高速发展，人们的生活水平得到了普遍提高，各种生活电器都成为了人们生活的必需品，吸油烟机在人们生活中是必不可少的必需品，几乎家家户户都有用到。但目前市面上大部分的吸油烟机用的电机为普通交流电机，交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，因此成为最常用的电机。但是在节能环保的社会大方向下，交流电机的效率低、噪音大等特点就显得比较不符合发展趋势。而直流变频技术的出现，刚好可以弥补交流电机的缺点。基于此，本文主要介绍了传统吸油烟机异常噪声的产生机理，并对直流变频技术工作原理及应用优势与实现方案进行了分析与探讨，以供同仁参考。
二、直流变频技术工作原理及应用优势
直流变频技术其实就是在传统吸油烟机上利用了变频技术，就是改变供电频率，从而调节负载，起到降低功耗，减小损耗，延长设备使用寿命等作用。变频技术的核心是变频器，直流变频技术工作原理是把 220VAC、50Hz的工频交流电源转换为直流电源 (310VDC)，并送至功率模块主电路，功率模块在单片机 ( MCU ) 的控制下，输出电压可变的直流电源来控制直流电机的转动。因为直流变频没有逆变环节，在这方面比交流更加省电。由于直流变频电机不存在定子旋转磁场对转子的电磁感应作用，克服了交流电机的电磁噪音与转子损耗，因此直流变频电机的节能效果及整机性能有显著提高，效率比交流电机高 10%~30%， 噪音低 5分贝~10 分贝。同时由于直流变频技术可以很方便的实现直流电机的无极调速，因此在吸油烟机上可以实现多档风机转速。直流变频的实现可以利用分离元件来实现，也可以用集成模块来实现。其中分离器件方案主要是根据功率大小选择IGBT或者 MOSFET 来驱动电机，同时加上外围的保护等电路；集成模块为智能功率模块 (IPM:Intelligent Power Module),IPM 不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内部集成有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到 MCU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，即使发生负载事故或使用不当，也可以保证 IPM自身不受损坏。同时由于 IPM有硬件的过流、过压保护，可以实现对直流电机的堵转硬件保护，防止电机运行过程的起火事件。
三、直流变频吸油烟机的实现方案
1、控制器硬件方案：
本方案中用集成模块的方式来实现直流变频电机的驱动。本案例中以三垦SIM6822M为例来进行直流变频方案的设计。三垦的 SIM6800M 系列是将输出功率元件、前置驱动 IC以及带限流电阻的自举二极管封装在一起的高压三相马达用驱动 IC。SIM6822M 的内部结构框图如图 1 所示：
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图1、IPM内部结构框图
SIM6822M内部包含有 6个IGBT用于驱动电机，该IGBT耐压 600V，电流 5A，吸油烟机的电机功率最大可以到 220W，平常正常工作时大概在 180W 左右，因此选用该型号 IPM 符合该款吸油烟机的电机功率特性。IPM 与以往 IGBT或者 MOSFET模块电路的组件相比具有如下特点：①内含驱动电路。设定了最佳的 IGBT 驱动条件，驱动电路与 IGBT间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压。②内含过电流保护 (OCP: Overcurrent Protection)、短路保护 (OCL：Overcurrent Limit)。由于是通过检测各 IGBT 集电极电流实现保护的， 故不管哪个IGBT发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护。
③内含驱动电源欠电压保护 (UVLO：Undervoltage Loc-kout)。每个驱动电路都具有 UVLO保护功能。当驱动电源电压 VCC小于规定值 UV时，产生欠电压保护。
④内含过热保护 (TSD：ThermalShutdown)。TSD是防止IGBT、FRD (快恢复二极管) 过热的保护功能。图2所示为直流电机的驱动原理图，用三垦的IPM模块SIM6822M作为电机的驱动模块，图中的 U、V、W分别接三相直流电机，当IPM
模块的OCP端电压超过0.65V时，OCL输出为高电平，若将 OCL跟SD相连，可实现限流功能；当OCP端电压超过 1V，经过 2us 的滤波时间后，低侧功率器件关断，过流信号解除 25us 后恢复。图中用高性能的控制器FT3066来驱动IPM模块，从而达到快速、稳定的驱动直流电机的运行。
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该专用芯片的特点如下：①无传感器估算算法获得精确的转子位置和速度信息。②可靠的启动及角度的软切换处理；转速的无级调速，优良的闭环速度控制性能；优异的转矩控制性能。③电流环和速度环路参数易于整定。支持单电阻，双电阻，三电阻电流采样算法。④支持 PWM，模拟调速控制。具有堵转保护，缺相保护，过、欠压保护，过流保护功能。
2、控制方法及逻辑：
现有技术一般采用恒定扭矩或者恒定转速的方案对吸油烟机进行转速控制；或采用风压检测模块，根据风压实时调整转速；
采用恒扭矩或恒转速控制时，当电机或者控制器零部件批次之间性能参数有波动时，会对最大风量或者最大全压也有较大的影响，从而导致市场抽查时不合格；
而增加风压模块则整机成本将上升，影响整机竞争力；
本方案在于一种新的控制方法及其对应的吸油烟机，不需要风压检测模块，使用该控制方法之后，油烟机在高阻力工况下保证大全压，同时在低阻力时保证大风量，而在常用阻力（0~300Pa）时，满足排风量同时降低噪音；而且当电机或者控制器零部件批次之间性能参数有波动时，在低阻力段整机排风量不受影响，确保满足设计要求；满足用户对风量或者噪音不同需求，提升用户体验。
实施方案：在整机和风道系统确定下来之后，先在风量试验台上模拟用户使用，设计其用户需要的风量Q和全压P0；
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将上述计算和测试的Q、P0、n、I进行标定，并设置在程序中；
同时测试，当全压P0=0Pa时，测试整机需要标称的风量，对应的转速N0；将N0也标定在控制器中；并设定在一定范围内为低阻力（低全压段）；例如设定0-100Pa为低全压段，＞100Pa为中高全压段；并将值写入控制器；
当整机开始正常运行时，电机转速逐步升高，同步自动检测电机当前转速n1和电流I1，当n1与标定值中的某一个n相同时，I1与标定的同转速的I进行对比，当I与I1也在一定范围内等同，根据之前标定的n、I与对应的全压P0，可以得知当前的全压P0；
如果检测到P0处于中高阻力段（中高全压段）时，整机继续按照上述模式运行；
当检测到P0接近低阻力段（低全压段）时，电机转速直接切入到恒转速模式，转速目标为标定的N0，此时不管nx数据为多少，电机转速直接按照N0进行运行，保证转速恒定；
整机在运行过程中，当公共烟道全压变大时（例如在共层建筑烹饪高峰期，用户向公共烟道排烟较大），整机检测到在转速n1不变时，I1将随着阻力变大而减小；此时机器可以确认全压变大，转速将自动提升到标定转速中上一个值n2，检测出当前电流I2，此时再将I2与n2对应的I进行对比，如果在一定范围内不等同，则转速继续增加，直到找到对应的nx，此时Ix与nx对应的I一定范围内等同，此时整机实际P0即为标定值中转速n对应的P0；风量Q即达到目标要求值；
整机在运行过程中，当公共烟道全压变小时（例如在共层建筑烹饪非高峰期，用户向公共烟道排烟较少），整机检测到在转速n1不变时，I1将随着阻力变小而增大；此时机器可以确认全压变小，转速将自动降低到标定转速中下一个值n3，同时检测出当前电流I3，此时再将I3与n3对应的I进行对比，如果在一定范围内不等同，则转速继续降低，直到找到标定中某一个值对应的nx，Ix与I一定范围内等同，此时状态即为整机风量Q达到设定要求；
在整机运行过程中，整机将持续检测nx和Ix，并将其与标定的n和I进行对比，如果有偏差，则自动修正转速，直到达到设定要求，从而使整机排风量Q始终在设定范围内小幅波动、调节，从而减少吸烟效果下降趋势，在一定范围内显著提升吸油烟机吸烟效果。
实施案例：某款变频吸油烟机，要求最大风量（0Pa全压时）19m3/min，最大全压850Pa，先将0~850Pa分为16个全压点，其中设定第12~16段为低全压段，1~11段为中高全压段；根据测试，当0Pa时，风量19 m3/min时，此时需要转速为N0=780转/min，因此设置第12~16段转速全部为780转/min；先通过公式计算，在不同全压点时，需要的风量，并测试此时的转速n和电流I，得到整条工作点曲线上数据如下，并将数据全部写入控制器中：
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当整机启动运行时，控制器先控制电机转速开始从0逐步增加，同步检测电机实时转速n1和电流I1，并与表格中数据进行对比；
用户开机启动烟机之后，电机转速从0开始逐步增加，当到n1=780转/min时，此时，实时电流I1会与控制器中标定的第12~16段中的I进行对比，如果此时公共烟道全压正好处于0~100Pa范围内，由于转速n、全压P0都与标定值相吻合，则肯定此时实时电流I1与第12~16段全压点中标定某一个I符合；此时判定用户公共烟道处于0~100Pa范围内，此时烟机处于低全压区，整机进入恒转速模式，电机转速固定为780转/min；并不断刷新电流值I1，与标定电流I进行对比，如果电流继续在1.25≤I1≤1.52，则认为一直处于低全压区，继续按照恒转速780转/min运行；
如果某时刻实时电流值I1不在1.2~1.52范围内，则判定此时全压已经退出了低全压区域，电机转速退出恒转速模式；
电机继续加速，当n1=850转/min时，假如此时公共烟道全压为400Pa，此时，实时电流I1会与第11段标定的电流I对比，也不相符；电机继续加速，加速在n1=920转/min，1000转/min，1100转/min时，实时电流I1分别与各自对应的I进行对比，此时I1都不符合标定I值；电机继续加速到n1=1200转/min时，此时实时电流I1=1.68，对比1200转/min时对应的标定I=1.7，由于全压P0、转速n1都符合，且电流I1≈I，此时，控制器判定用户公共烟道当前全压P0为400Pa，控制器控制电机将维持n1=1200转/min运行；同时不断将刷新的电流I1与I进行对比，如果I1变小了，说明公共烟道全压P0有提升，则提升转速n1，维持更大风量输出；I1变大了，说明公共烟道全压P0有降低，则降低转速n1，降低风量输出；
通过上述 PMSM 矢量控制专用芯片 FT3066 和三垦的IPM模块SIM6822M配合，并采用本案控制方法，可以很好的达到直流变频的效果，平稳地驱动直流电机，实现节能、降噪的效果。