作者：英飛凌科技 張娜 呂偉嘉 時立中
摘要：隨著科技的發展，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。XMC系列的XMC1302微控制器用于永磁同步電機（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。此方案還可用于其他各式風扇，如立式、臺式、空調室內室外風扇等。
1 引言
在空調如此普及的今天，選擇更節能環保、舒適溫和的吊扇來調節空氣溫度和環境舒適性仍然是許多人的選擇。基于英飛凌XMC1302-T038X0032微控制器的吊扇解決方案，采用了英飛凌旗下先進的功率器件和電機控制技術，針對吊扇使用的PMSM電機進行無位置傳感器控制，正弦波驅動使得吊扇旋轉時非常安靜，該方案可幫助用戶加速產品設計。
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。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，無需晶振和復位電路，適用于電機驅動、汽車電子領域[4]。5V供電相比與3.3V供電，IO口抗干擾能力強，這一點在汽車電子、工業電子領域更有優勢。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，同時減少部件數量。
該方案采用載波頻率16KHz，支持速度、電流閉環控制，弱磁控制模式。非靜止啟動功能使吊扇即使在最初因外力而反向轉動時也能正常旋轉。方案還集成了多種保護，如硬件和軟件過流保護、過壓和欠壓保護，以及缺相和堵轉檢測。發生故障后，一旦故障被清除，系統將嘗試重新啟動并恢復到上一個速度狀態。算法響應速度快，參數配置簡單，可直接閉環啟動。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為逆風啟動的相電流波形。
圖2 基于XMC1302的吊扇解決方案
圖3 相電流波形圖
圖4 逆風啟動相電流波形圖
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，包括兩個電流（d/q軸電流）PI環路和一個速度PI環路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控制而設計的MCU，集成了專門針對電機應用優化的外設集，支持中低端電機常見的各種控制方式，它具有適合無感FOC控制的相關外設和亮點：
3.1 MATH協處理器
XMC1302中集成一個MATH協處理器，它完全獨立于CPU，工作在PCLK（64MHz）時鐘下。MATH協處理包含了一個32位的DIVIDER和一個24位的CORDIC。DIVIDER單元實現32bit有符號/無符號除法。CORDIC單元實現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，對于實現無感FOC控制算法提供了良好的支持。
圖6 MATH協處理器
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，雙通道可以同時采樣。具體到實際應用中，就是兩路電流可以同步采樣，這對提高控制實時性能是極有好處的。ADC具有limit checking功能，當ADC轉換結果落到指定區間內就會自動觸發中斷請求，而這個指定區間的門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進行三相逆變器控制的CCU8單元
XMC1302的Capture/Compare Unit8由4個16位的定時器組成，每個16位的定時器都有定時、比較和捕捉的功能，這4個通道是完全獨立的，有各自的分頻器，可以獨立工作。每個通道可以產生2對互補PWM，并可插入死區時間以防止開關短路，每對PWM波形的上升沿死區時間和下降沿死區時間可以分別產生。還可輸出非對稱的互補PWM。定時器的運行可以由軟件觸發，或用內部信號觸發，或由外部引腳觸發。定時器的中斷也可以觸發ADC等其它外設。這些特性使它的應用非常靈活，能滿足各種需求，尤其是電機控制的需求。
3.4 模擬比較器ACMP
XMC1302內置三個高速模擬比較器(ACMP)，用于比較兩個模擬輸入電壓。ACMP的輸出反應非常快，延遲時間在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行2n-10ns的濾波。最終比較器的輸出可以輸出到CPU的NVIC產生中斷，也可以輸出到CCU8，當作它們的外部觸發事件。
隨著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可實現指數調光，并能夠避免低頻閃爍，使光線更加柔和自然。在此解決方案基礎上可以進一步擴展，增加LED燈控功能。
4 結語
基于XMC1302的無感磁場定向控制（FOC）吊扇解決方案，專門針對吊扇、風機類應用的評估和開發而設計。XMC1302能較好實現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計。該方案可為相關應用的用戶提供初步的硬件測試平臺和參考代碼，同時英飛凌提供詳細的設計文檔，旨在縮短用戶的學習、設計周期，加快開發進程。 |
