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作者：英飛凌科技 張娜 呂偉嘉 時(shí)立中 摘要：隨著(zhù)科技的發(fā)展，空調日漸普及，但是吊扇依舊受到眾多消費者的青睞。英飛凌的永磁同步電機吊扇解決方案由非隔離的15 V、700 mA高壓（HV）降壓轉換器ICE5BR2280BZ和單片集成NPN型電壓調節器TLE4284供電，采用IM241系列CIPOSTM Micro IPM作為驅動(dòng)。XMC系列的XMC1302微控制器用于永磁同步電機（PMSM）無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC），整套吊扇方案具有高性能和靈活性的特點(diǎn)。此方案還可用于其他各式風(fēng)扇，如立式、臺式、空調室內室外風(fēng)扇等。 1引言 在空調如此普及的今天，選擇更節能環(huán)保、舒適溫和的吊扇來(lái)調節空氣溫度和環(huán)境舒適性仍然是許多人的選擇�；谟w凌XMC1302-T038X0032微控制器的吊扇解決方案，采用了英飛凌旗下先進(jìn)的功率器件和電機控制技術(shù)，針對吊扇使用的PMSM電機進(jìn)行無(wú)位置傳感器控制，正弦波驅動(dòng)使得吊扇旋轉時(shí)非常安靜，該方案可幫助用戶(hù)加速產(chǎn)品設計。 2 方案介紹 該吊扇解決方案是一種三電阻無(wú)傳感器FOC的PMSM電機控制吊扇解決方案，系統框圖如圖1所示。該方案旨在提供一種高效、穩健的吊扇解決方案，使電機平穩快速地啟動(dòng)至最大速度。 
圖1 基于XMC1302的吊扇解決方案系統框圖 方案采用非隔離的15 V、700 mA高壓（HV）降壓轉換器ICE5BR2280BZ[1]和單片集成NPN型電壓調節器TLE4284[2]供電，用于提供15V和5V作為輔助電源輸出。采用第五代固定頻率功率集成電路CIPOSTM Micro IPM IM241[3]作為驅動(dòng)。15V供給IM241，5V供給主控芯片XMC1302。英飛凌XMC1302是一款高性能32位ARM芯片，Cortex-M0內核，1.8-5.5V供電，無(wú)需晶振和復位電路，適用于電機驅動(dòng)、汽車(chē)電子領(lǐng)域[4]。5V供電相比與3.3V供電，IO口抗干擾能力強，這一點(diǎn)在汽車(chē)電子、工業(yè)電子領(lǐng)域更有優(yōu)勢。XMC1302內核工作頻率為32MHz，外設工作頻率為64MHz，內部帶增益的ADC可進(jìn)行電流檢測和保護，CCU8輸出6路PWM波至功率模塊芯片IM241。算法采用無(wú)傳感器FOC控制，三電阻采樣，以提供速度和角度的準確估計，同時(shí)減少部件數量。 該方案采用載波頻率16KHz，支持速度、電流閉環(huán)控制，弱磁控制模式。非靜止啟動(dòng)功能使吊扇即使在最初因外力而反向轉動(dòng)時(shí)也能正常旋轉。方案還集成了多種保護，如硬件和軟件過(guò)流保護、過(guò)壓和欠壓保護，以及缺相和堵轉檢測。發(fā)生故障后，一旦故障被清除，系統將嘗試重新啟動(dòng)并恢復到上一個(gè)速度狀態(tài)。算法響應速度快，參數配置簡(jiǎn)單，可直接閉環(huán)啟動(dòng)。圖2為該方案的連接圖。圖3為正常運行的相電流波形圖。圖4為逆風(fēng)啟動(dòng)的相電流波形。
圖2 基于XMC1302的吊扇解決方案
圖3 相電流波形圖
圖4 逆風(fēng)啟動(dòng)相電流波形圖 3 主控芯片XMC1302用于電機控制的外設 FOC控制框圖如圖5所示，其中包括：①坐標變換，包括Clarke/Park變換和Clare/ Park逆變換②位置和速度估計算法③PI控制，包括兩個(gè)電流（d/q軸電流）PI環(huán)路和一個(gè)速度PI環(huán)路④SVPWM模塊。
圖5 FOC控制框圖 從圖5中我們可以看到，無(wú)感FOC控制要用到Clarke變換，Park變換、Clarke/Park逆變換、位置估算等算法。XMC1302是英飛凌專(zhuān)門(mén)為電機控制而設計的MCU，集成了專(zhuān)門(mén)針對電機應用優(yōu)化的外設集，支持中低端電機常見(jiàn)的各種控制方式，它具有適合無(wú)感FOC控制的相關(guān)外設和亮點(diǎn)： 3.1 MATH協(xié)處理器 XMC1302中集成一個(gè)MATH協(xié)處理器，它完全獨立于CPU，工作在PCLK（64MHz）時(shí)鐘下。MATH協(xié)處理包含了一個(gè)32位的DIVIDER和一個(gè)24位的CORDIC。DIVIDER單元實(shí)現32bit有符號/無(wú)符號除法。CORDIC單元實(shí)現24bit三角函數運算。DIVIDER和CORDIC單元可并行工作，該模塊減輕了CPU的負荷，對于實(shí)現無(wú)感FOC控制算法提供了良好的支持。
圖6 MATH協(xié)處理器 3.2 帶有片上可調增益的12位VADC XMC1302的多功能模/數轉換器(VAD),包含一個(gè)按逐次逼近原理(SAR)工作的獨立內核。其分辨率是從8位到12位可編程的。ADC每個(gè)通道的采樣單元內置模擬放大，增益可調，可選1,3,6,12倍放大，可以省掉外部運放。XMC1302的ADC具有雙采樣保持單元，雙通道可以同時(shí)采樣。具體到實(shí)際應用中，就是兩路電流可以同步采樣，這對提高控制實(shí)時(shí)性能是極有好處的。ADC具有limit checking功能，當ADC轉換結果落到指定區間內就會(huì )自動(dòng)觸發(fā)中斷請求，而這個(gè)指定區間的門(mén)限是可以自由設定的。這就省掉了軟件處理ADC轉換結果并比較，提高了處理速度。 3.3 可輸出PWM進(jìn)行三相逆變器控制的CCU8單元 XMC1302的Capture/Compare Unit8由4個(gè)16位的定時(shí)器組成，每個(gè)16位的定時(shí)器都有定時(shí)、比較和捕捉的功能，這4個(gè)通道是完全獨立的，有各自的分頻器，可以獨立工作。每個(gè)通道可以產(chǎn)生2對互補PWM，并可插入死區時(shí)間以防止開(kāi)關(guān)短路，每對PWM波形的上升沿死區時(shí)間和下降沿死區時(shí)間可以分別產(chǎn)生。還可輸出非對稱(chēng)的互補PWM。定時(shí)器的運行可以由軟件觸發(fā)，或用內部信號觸發(fā)，或由外部引腳觸發(fā)。定時(shí)器的中斷也可以觸發(fā)ADC等其它外設。這些特性使它的應用非常靈活，能滿(mǎn)足各種需求，尤其是電機控制的需求。 3.4 模擬比較器ACMP XMC1302內置三個(gè)高速模擬比較器(ACMP)，用于比較兩個(gè)模擬輸入電壓。ACMP的輸出反應非�？�，延遲時(shí)間在25ns。它的輸入電壓偏差也非常小，只有3mv左右。這些特性都使它非常適合數字電源和電機控制的應用，模擬比較器的內部濾波器可以進(jìn)行2n-10ns的濾波。最終比較器的輸出可以輸出到CPU的NVIC產(chǎn)生中斷，也可以輸出到CCU8，當作它們的外部觸發(fā)事件。 隨著(zhù)人們的需求不斷變化，吊扇的功能也呈現多樣化，比如帶LED彩燈控制的吊扇，XMC1302內部的BCCU可實(shí)現指數調光，并能夠避免低頻閃爍，使光線(xiàn)更加柔和自然。在此解決方案基礎上可以進(jìn)一步擴展，增加LED燈控功能。 4 結語(yǔ) 基于XMC1302的無(wú)感磁場(chǎng)定向控制（FOC）吊扇解決方案，專(zhuān)門(mén)針對吊扇、風(fēng)機類(lèi)應用的評估和開(kāi)發(fā)而設計。XMC1302能較好實(shí)現無(wú)位置傳感器控制算法，芯片有TSSOP38和QFN24封裝，非常適合吊扇電路板的空間設計。該方案可為相關(guān)應用的用戶(hù)提供初步的硬件測試平臺和參考代碼，同時(shí)英飛凌提供詳細的設計文檔，旨在縮短用戶(hù)的學(xué)習、設計周期，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程。 參考文獻 [1] Infineon. Datasheet of Fixed-frequency 800 V / 950 V CoolSET™ https://www.infineon.com/dgdl/In ... 68a017f8bce00aa6605 2022-07-19. [2] Infineon. Datasheet of TLE4284 https://www.infineon.com/dgdl/In ... bc101595f854dfc1f60 2007-03-20 [3] Infineon. Datasheet of CIPOS™ Micro IPM 600 V, 2 A https://www.infineon.com/dgdl/In ... 3fc0181f110b5c77f8e 2022-06-26 [4] Infineon. Datasheet of XMC1300 AB-Step https://www.infineon.com/dgdl/In ... 290014a4bdb073c25c6 2017-10 |
