基于XMC1302的吊扇解決方案

摘要 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(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^TM Micro IPM作為驅(qū)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(diào)室內(nèi)室外風扇等。

關鍵詞 吊扇 電機控制 FOC 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?；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(qū)動使得吊扇旋轉(zhuǎn)時非常安靜，該方案可幫助用戶加速產(chǎn)品設計。

2 方案介紹

該吊扇解決方案是一種三電阻無傳感器FOC的PMSM電機控制吊扇解決方案，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，使電機平穩(wěn)快速地啟動至最大速度。

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15 V、700 mA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。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，無需晶振和復位電路，適用于電機驅(qū)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(yè)電子領域更有優(yōu)勢。XMC1302內(nèi)核工作頻率為32MHz，外設工作頻率為64MHz，內(nèi)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(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。非靜止啟動功能使吊扇即使在最初因外力而反向轉(zhuǎn)動時也能正常旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)檢測。發(fā)生故障后，一旦故障被清除，系統(tǒng)將嘗試重新啟動并恢復到上一個速度狀態(tài)。算法響應速度快，參數(shù)配置簡單，可直接閉環(huán)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(huán)路和一個速度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控制而設計的MCU，集成了專門針對電機應用優(yōu)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(xié)處理器

XMC1302中集成一個MATH協(xié)處理器，它完全獨立于CPU，工作在PCLK（64MHz）時鐘下。MATH協(xié)處理包含了一個32位的DIVIDER和一個24位的CORDIC。DIVIDER單元實現(xiàn)32bit有符號/無符號除法。CORDIC單元實現(xiàn)24bit三角函數(shù)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(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),包含一個按逐次逼近原理(SAR)工作的獨立內(nèi)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(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(zhuǎn)換結果落到指定區(qū)間內(nèi)就會自動觸發(fā)中斷請求，而這個指定區(qū)間的門限是可以自由設定的。這就省掉了軟件處理ADC轉(zhuǎn)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(chǎn)生2對互補PWM，并可插入死區(qū)時間以防止開關短路，每對PWM波形的上升沿死區(qū)時間和下降沿死區(qū)時間可以分別產(chǎn)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(fā)，或用內(nèi)部信號觸發(fā)，或由外部引腳觸發(fā)。定時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(nèi)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?？?，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(shù)字電源和電機控制的應用，模擬比較器的內(nèi)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(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(fā)而設計。XMC1302能較好實現(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(fā)進程。

參考文獻

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Infineon. Datasheet of XMC1300 AB-Step https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-xmc1300_AB-DS-v02_00-EN.pdf?fileId=5546d4624a0bf290014a4bdb073c25c6 2017-10

（注：本文登于《EEPW》2024年10期）