隨著科技的發展，空調日漸普及，但是吊扇依舊受到許多消費者的青睞。英飛凌的永磁同步電機吊扇解決方案由非隔離15V、700mA高壓（HV）降壓轉換器ICE5BR2280BZ和單晶片集成NPN型電壓調節器TLE4284供電，採用IM241系列CIPOS™ Micro IPM作為驅動。 XMC系列的XMC1302微控制器用於永磁同步電機（PMSM）無感測器磁場定向控制（FOC），整套吊扇方案具有高性能和靈活性的特點。此方案也可用於其他各式風扇，如直立式、桌上型、空調室內室外風扇等。
28
Nov . 2024
技術洞察｜基於英飛凌XMC1302的無感磁場定向控制吊扇解決方案
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1、引言
圖1 基於XMC1302的吊扇解決方案系統框圖
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。基於英飛凌XMC1302-T038X0032微控制器的吊扇解決方案，採用了英飛凌旗下先進的功率元件和電機控制技術，針對吊扇使用的PMSM電機進行無位置感測器控制，正弦波驅動使得吊扇旋轉時非常安靜，該方案可幫助使用者加速產品設計。
2、方案介绍
圖2 基於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
該吊扇解決方案是一種三電阻無感測器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。
方案採用非隔離的15V、700mA高壓（HV）降壓轉換器ICE5BR2280BZ[1]及單晶片集成NPN型電壓調節器TLE4284[2]供電，用於提供15V和5V作為輔助電源輸出。採用第五代固定頻率功率積體電路CIPOSTM Micro IPM IM241[3]作為驅動。 15V供給IM241，5V供給主控晶片XMC1302。英飛凌XMC1302是一款高效能32位元ARM晶片，Cortex-M0內核，1.8-5.5V供電，無需晶振和重設電路，適用於電機驅動、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，這點在汽車電子、工業電子領域更有優勢。 XMC1302核心工作頻率為32MHz，週邊工作頻率為64MHz，內部帶增益的ADC可進行電流檢測與保護，CCU8輸出6路PWM波至功率模組晶片IM241。演算法採用無感測器FOC控制，三電阻採樣，以提供速度和角度的準確估計，同時減少零件數量。
該方案採用載波頻率16KHz，支援速度、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，如硬體和軟體過流保護、過壓和欠壓保護，以及缺相和堵轉檢測。發生故障後，一旦故障被清除，系統將嘗試重新啟動並恢復到上一個速度狀態。演算法響應速度快，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為正常運作的相電流波形圖。圖4為逆風啟動的相電流波形。
3.主控晶片XMC1302用於電機控制的周邊
圖5 FOC控制框圖
FOC控制框圖如圖5所示，其中包括：①座標變換，包括Clarke/Park變換和Clare/Park逆變換②位置和速度估計計算法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模組。
從圖5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、位置估算等演算法。 XMC1302是英飛凌專為電機控製而設計的MCU，集成了專門針對電機應用優化的周邊集，支援中低端電機常見的各種控制方式，它具有適合無感FOC控制的相關週邊和亮點：
圖6 MATH協處理器
3.1 MATH協處理器
XMC1302中集成一個MATH協處理器，它完全獨立於CPU，工作在PCLK（64MHz）時鐘下。 MATH協處理包含了一個32位元的DIVIDER和一個24位元的CORDIC。 DIVIDER單元實現32bit有符號/無符號除法。 CORDIC單元實作24bit三角函數運算。 DIVIDER和CORDIC單元可並行工作，該模組減輕了CPU的負荷，對於實現無感FOC控制算法提供了良好的支持。
3.2 具有片上可調增益的12位元VADC
XMC1302的多功能模/數位轉換器 (VAD)，包含一個按逐次逼近原理 (SAR) 運作的獨立核心。其解析度是從8位元到12位元可編程的。 ADC每個通道的取樣單元內建模擬放大，增益可調，可選1,3,6,12倍放大，可以省掉外部運算。 XMC1302的ADC具有雙取樣保持單元，雙通道可以同時取樣。具體到實際應用中，就是兩路電流可以同步採樣，這對提高控制即時性能是極有好處的。 ADC具有limit checking功能，當ADC轉換結果落在指定區間內就會自動觸發中斷請求，而這個指定區間的閘限是可以自由設定的。這就省掉了軟體處理ADC轉換結果並比較，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位元的計時器組成，每個16位元的定時器都有定時、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。每個通道可產生2對互補PWM，並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。定時器的運作可以由軟件觸發，或用內部訊號觸發，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 類比比較器ACMP
XMC1302內建三個高速模擬比較器(ACMP)，用於比較兩個類比輸入電壓。 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位電源和電機控制的應用，而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，例如帶LED彩燈控制的吊扇，XMC1302內部的BCCU可實現指數調光，並能夠避免低頻閃爍，使光線更加柔和自然。在此解決方案基礎上可進一步擴展，增加LED燈控功能。
4、結語
基於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能較好實現無位置感測器控制演算法，晶片有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體測試平台和參考程式碼，同時英飛凌提供詳細的設計文檔，旨在縮短用戶的學習、設計週期，並加快開發進程。
文章來源：英飛凌官微