技術(shù)洞察｜基于英飛凌XMC1302的無感磁場定向控制吊扇解決方案

隨著科技的發(fā)展，空調(diào)日漸普及，但是吊扇依舊受到眾多消費(fèi)者的青睞。英飛凌的永磁同步電機(jī)吊扇解決方案由非隔離15V、700mA高壓（HV）降壓轉(zhuǎn)換器ICE5BR2280BZ和單片集成NPN型電壓調(diào)節(jié)器TLE4284供電，采用IM241系列CIPOS ? Micro IPM作為驅(qū)動(dòng)。XMC系列的XMC1302微控制器用于永磁同步電機(jī)（PMSM）無傳感器磁場定向控制（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(tái)式、空調(diào)室內(nèi)室外風(fēng)扇等。

本文作者：英飛凌科技 張娜 呂偉嘉 時(shí)立中

關(guān)鍵詞： 吊扇，電機(jī)控制，F(xiàn)OC，XMC1302

1、引言

在空調(diào)如此普及的今天，選擇更節(jié)能環(huán)保、舒適溫和的吊扇來調(diào)節(jié)空氣溫度和環(huán)境舒適性仍然是許多人的選擇?；?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/英飛凌">英飛凌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(jī)控制技術(shù)，針對(duì)吊扇使用的PMSM電機(jī)進(jìn)行無位置傳感器控制，正弦波驅(qū)動(dòng)使得吊扇旋轉(zhuǎn)時(shí)非常安靜，該方案可幫助用戶加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2、方案介紹

該吊扇解決方案是一種三電阻無傳感器FOC的PMSM電機(jī)控制吊扇解決方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。該方案旨在提供一種高效、穩(wěn)健的吊扇解決方案，使電機(jī)平穩(wěn)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(tǒng)框圖

方案采用非隔離的15V、700mA高壓（HV）降壓轉(zhuǎn)換器ICE5BR2280BZ [1] 和單片集成NPN型電壓調(diào)節(jié)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(qū)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(nèi)核，1.8-5.5V供電，無需晶振和復(fù)位電路，適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車電子領(lǐng)域 [4] 。5V供電相比與3.3V供電，IO口抗干擾能力強(qiáng)，這一點(diǎn)在汽車電子、工業(yè)電子領(lǐng)域更有優(yōu)勢。XMC1302內(nèi)核工作頻率為32MHz，外設(shè)工作頻率為64MHz，內(nèi)部帶增益的ADC可進(jìn)行電流檢測和保護(hù)，CCU8輸出6路PWM波至功率模塊芯片IM241。算法采用無傳感器FOC控制，三電阻采樣，以提供速度和角度的準(zhǔn)確估計(jì)，同時(shí)減少部件數(shù)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也能正常旋轉(zhuǎn)。方案還集成了多種保護(hù)，如硬件和軟件過流保護(hù)、過壓和欠壓保護(hù)，以及缺相和堵轉(zhuǎn)檢測。發(fā)生故障后，一旦故障被清除，系統(tǒng)將嘗試重新啟動(dòng)并恢復(fù)到上一個(gè)速度狀態(tài)。算法響應(yīng)速度快，參數(shù)配置簡單，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(yùn)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(jī)控制的外設(shè)

FOC控制框圖如圖5所示，其中包括：①坐標(biāo)變換，包括Clarke/Park變換和Clare/Park逆變換②位置和速度估計(jì)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是英飛凌專門為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的MCU，集成了專門針對(duì)電機(jī)應(yīng)用優(yōu)化的外設(shè)集，支持中低端電機(jī)常見的各種控制方式，它具有適合無感FOC控制的相關(guān)外設(shè)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(dú)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(xiàn)32bit有符號(hào)/無符號(hào)除法。CORDIC單元實(shí)現(xiàn)24bit三角函數(shù)運(yùn)算。DIVIDER和CORDIC單元可并行工作，該模塊減輕了CPU的負(fù)荷，對(duì)于實(shí)現(xiàn)無感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(diào)增益的12位VADC

XMC1302的多功能模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 (VAD)，包含一個(gè)按逐次逼近原理 (SAR) 工作的獨(dú)立內(nèi)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(nèi)置模擬放大，增益可調(diào)，可選1,3,6,12倍放大，可以省掉外部運(yùn)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(yīng)用中，就是兩路電流可以同步采樣，這對(duì)提高控制實(shí)時(shí)性能是極有好處的。ADC具有l(wèi)imit checking功能，當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果落到指定區(qū)間內(nèi)就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)中斷請(qǐng)求，而這個(gè)指定區(qū)間的門限是可以自由設(shè)定的。這就省掉了軟件處理ADC轉(zhuǎn)換結(jié)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(dú)立的，有各自的分頻器，可以獨(dú)立工作。每個(gè)通道可以產(chǎn)生2對(duì)互補(bǔ)PWM，并可插入死區(qū)時(shí)間以防止開關(guān)短路，每對(duì)PWM波形的上升沿死區(qū)時(shí)間和下降沿死區(qū)時(shí)間可以分別產(chǎn)生。還可輸出非對(duì)稱的互補(bǔ)PWM。定時(shí)器的運(yùn)行可以由軟件觸發(fā)，或用內(nèi)部信號(hào)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(shè)。這些特性使它的應(yīng)用非常靈活，能滿足各種需求，尤其是電機(jī)控制的需求。

3.4 模擬比較器ACMP

XMC1302內(nèi)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(yīng)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(shù)字電源和電機(jī)控制的應(yīng)用，模擬比較器的內(nèi)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(dāng)作它們的外部觸發(fā)事件。

隨著人們的需求不斷變化，吊扇的功能也呈現(xiàn)多樣化，比如帶LED彩燈控制的吊扇，XMC1302內(nèi)部的BCCU可實(shí)現(xiàn)指數(shù)調(diào)光，并能夠避免低頻閃爍，使光線更加柔和自然。在此解決方案基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步擴(kuò)展，增加LED燈控功能。

4、結(jié)語

基于XMC1302的無感磁場定向控制（FOC）吊扇解決方案，專門針對(duì)吊扇、風(fēng)機(jī)類應(yīng)用的評(píng)估和開發(fā)而設(shè)計(jì)。XMC1302能較好實(shí)現(xiàn)無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(shè)計(jì)。 該方案可為相關(guān)應(yīng)用的用戶提供初步的硬件測試平臺(tái)和參考代碼，同時(shí)英飛凌提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)文檔，旨在縮短用戶的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)周期，加快開發(fā)進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

1. Infineon. Datasheet of Fixed-frequency 800V/950V CoolSET?, 2022-07-19.

2. Infineon. Datasheet of TLE4284 , 2007-03-20.

3. Infineon. Datasheet of CIPOS? Micro IPM 600V, 2A, 2022-06-26.

4. Infineon. Datasheet of XMC1300 AB-Step, 2017-10.