凌鸥低成本低噪声高可靠性的空气净化器方案

只看该作者 · 2023-2-22 12:22

本帖最后由张成糕于 2023-2-22 12:33 编辑

本帖为凌鸥空气净化器方案的介绍，使用高性价比的033芯片，单电阻无感方案。首先简单介绍了空气净化器及其电机的特点，总结了电控方案的关键点，进而介绍了基于033的空净方案，展示了运行效果，同时对市面上产品进行拆解，进行性能对比，进一步优化了方案。
一、空气净化器简介

空气净化器又称“空气清洁器”，是指能够吸附、分解或转化各种空气污染物(一般包括PM2.5、粉尘、花粉、异味、甲醛之类的装修污染、细菌、过敏原等)，有效提高空气清洁度的家电产品。目前，空气净化器的主要生产厂商既包括传统的电器生产厂商如格力、美的、飞利浦等家电企业巨头，也包括专门进行空气净化器研发和生产的企业，比如远大洁净空气科技有限公司等。

2013年至2017年，我国的雾霾天气逐渐则增加，空气净化器开始迅速发展。家用场景是空气净化器最先进入的领域，主要被用来去除室内甲醛、细菌等污染物。目前，中国的空气净化器普及率远低于美国、日韩等发达国家，市场仍有较大发展空间。

二、空净电机简介

有人说空气净化器就看2个核心部件，一是滤网，另一个就是电机。空气净化器对电机的性能要求是较高的，要求能无极变速，还需要满足能超长时间运转、低噪音、发热少等特点。在空净中应用最多的是高压直流无刷电机，这种电机具有电流小、扭力大、更稳定、更节能等优点。

三、电控关键点

根据空净的使用场合，总结了以下几个关键点：

1.无极调速，转速范围广。以实际产品为例，本帖拆解的空净有14个档位，最低档为600rpm,最高档为1800rpm，其他档位在600rpm至1800rpm之间，这就要求电机在各种转速下均具有较好的动静态性能，转速跟踪既要稳又要快。

2.噪声低。用户在使用空净时，最在意的性能除了净化效果之外，就是噪声表现，甚至在某些时候，噪声小要比净化快更重要。而空净作为一种风扇类应用，通风噪声、机械噪声和电磁噪声是噪声的主要来源，所以空净的转速基本较低，风道和电机结构的设计非常重要。不同的电控方案产生的电磁噪声大小不同，考虑到电磁噪声主要由谐波造成的，所以电流波形的正弦度可以一定程度上反应电磁噪声。

3.高可靠性。空净一般需要长时间运行，所以对稳定性、可靠性要求较高，同时在电机发生堵转等错误时能及时反应。

四、033空净方案介绍

LKS03系列MCU是凌鸥创芯针对电机驱动市场，推出的紧凑型电机运动控制系列芯片，集成了常用电机控制系统所需要的所有模块。集成仪表级全差分可编程增益放大器+差分ADC，不需要电压偏置就可以处理正负信号；集成1Msps 12bit ADC，集成全温度范围千分之五电压基准源；集成48MHz32bit CPU，硬件除法，开方运算100ns内完成；同时配备DMA。工作温度范围-40~105℃，内部RC全温度范围时钟偏差±1%以内。芯片引脚通过6KV人体模型引脚接触放电，通过15KV非触式空气静电放电测试。

LKS32MC033H6P8的封装为TSSOP20，管脚虽少，但有主控芯片负责触摸屏、空气质量检测等功能，033刚好可以满足需求，同时外围比较简洁，性价比极高。

本帖拆解的产品采用单电阻的方案，为了便于对比，本方案也采用了单电阻方案，由于低速时单电阻采样移相会造成噪声，本方案在起动阶段采用VF起动，可以减少起动噪声。

本方案首先在033核心板和高压demo板上实现，下图为033的核心板原理图。

后面设计中，可将图中HALL部分需要换成反电势电路，便于实现顺风起动。高压DEMO板可以参考凌鸥官网原理图。电控平台实物图如下。

五、运行效果

本小节主要展示凌鸥方案的运行效果，并与原本的方案进行对比，主要关注低速时电流谐波含量。方案1为产品原本的方案，方案2为凌鸥方案，两者在同一台电机上做实验，避免不同电机或安装差异导致误差。

1.起动阶段

原方案先进行预定位，再进入开环，最后转速闭环，闭环后电流幅值多次升降，有异响（开始转动时有哒哒哒，单电阻移相造成），转速多次升降，风噪时大时小，到达稳定的时间较长。

凌鸥方案首先进行预定位，再进入VF拖动，最后转速闭环，起动平顺无异响，达到稳态的时间较短（抱歉，波形忘了保存了）。

2.低速工况1（590r/min，对应电频率39.3Hz）

原方案：

凌鸥方案：

3.低速工况2（680r/min——电频率45.3Hz）

原方案：

凌鸥方案：

4、低速工况3（710r/min——电频率47.3Hz）

原方案：

凌鸥方案：

五、总结：

1.从THD的角度看，凌鸥方案整体上正弦度要高于原方案。

2.从波形上看，原方案在上述工况中均存在明显的谐波。数据表明，虽然凌鸥方案的5次谐波数量略多于原方案，但很好地抑制了7次谐波。

3.高频段数据表明，原方案的开关频率为16kHz，高频噪声集中在16kHz左右，而凌鸥方案采用18kHz的开关频率，有利于减小高频谐波。同时，由于凌鸥方案使用DEMO板调试，开关管等器件并非用于小功率场合，所以仍有继续优化的空间。除此之外，由于双电阻方案可以避免移相引起噪声，理论上可以更好地控制噪声。@21小跑堂