作者：英飞凌科技  张娜 吕伟嘉 时立中
 
摘要：随着科技的发展，空调日渐普及，但是吊扇依旧受到众多消费者的青睐。英飞凌的永磁同步电机吊扇解决方案由非隔离的15 V、700 mA高压（HV）降压转换器ICE5BR2280BZ和单片集成NPN型电压调节器TLE4284供电，采用IM241系列CIPOS^TM Micro IPM作为驱动。XMC系列的XMC1302微控制器用于永磁同步电机（PMSM）无传感器磁场定向控制（FOC），整套吊扇方案具有高性能和灵活性的特点。此方案还可用于其他各式风扇，如立式、台式、空调室内室外风扇等。
 
关键词 吊扇 电机控制 FOC XMC1302
 
1引言
在空调如此普及的今天，选择更节能环保、舒适温和的吊扇来调节空气温度和环境舒适性仍然是许多人的选择。基于英飞凌XMC1302-T038X0032微控制器的吊扇解决方案，采用了英飞凌旗下先进的功率器件和电机控制技术，针对吊扇使用的PMSM电机进行无位置传感器控制，正弦波驱动使得吊扇旋转时非常安静，该方案可帮助用户加速产品设计。
 
2 方案介绍
该吊扇解决方案是一种三电阻无传感器FOC的PMSM电机控制吊扇解决方案，系统框图如图1所示。该方案旨在提供一种高效、稳健的吊扇解决方案，使电机平稳快速地启动至最大速度。
 

图1  基于XMC1302的吊扇解决方案系统框图
 
方案采用非隔离的15 V、700 mA高压（HV）降压转换器ICE5BR2280BZ^[1]和单片集成NPN型电压调节器TLE4284^[2]供电，用于提供15V和5V作为辅助电源输出。采用第五代固定频率功率集成电路CIPOSTM Micro IPM IM241^[3]作为驱动。15V供给IM241，5V供给主控芯片XMC1302。英飞凌XMC1302是一款高性能32位ARM芯片，Cortex-M0内核，1.8-5.5V供电，无需晶振和复位电路，适用于电机驱动、汽车电子领域^[4]。5V供电相比与3.3V供电，IO口抗干扰能力强，这一点在汽车电子、工业电子领域更有优势。XMC1302内核工作频率为32MHz，外设工作频率为64MHz，内部带增益的ADC可进行电流检测和保护，CCU8输出6路PWM波至功率模块芯片IM241。算法采用无传感器FOC控制，三电阻采样，以提供速度和角度的准确估计，同时减少部件数量。
 
该方案采用载波频率16KHz，支持速度、电流闭环控制，弱磁控制模式。非静止启动功能使吊扇即使在最初因外力而反向转动时也能正常旋转。方案还集成了多种保护，如硬件和软件过流保护、过压和欠压保护，以及缺相和堵转检测。发生故障后，一旦故障被清除，系统将尝试重新启动并恢复到上一个速度状态。算法响应速度快，参数配置简单，可直接闭环启动。图2为该方案的连接图。图3为正常运行的相电流波形图。图4为逆风启动的相电流波形。
 

图2  基于XMC1302的吊扇解决方案
 

图3  相电流波形图
 

图4 逆风启动相电流波形图
 
3 主控芯片XMC1302用于电机控制的外设
FOC控制框图如图5所示，其中包括：①坐标变换，包括Clarke/Park变换和Clare/ Park逆变换②位置和速度估计算法③PI控制，包括两个电流（d/q轴电流）PI环路和一个速度PI环路④SVPWM模块。
 

图5  FOC控制框图
 
从图5中我们可以看到，无感FOC控制要用到Clarke变换，Park变换、Clarke/Park逆变换、位置估算等算法。XMC1302是英飞凌专门为电机控制而设计的MCU，集成了专门针对电机应用优化的外设集，支持中低端电机常见的各种控制方式，它具有适合无感FOC控制的相关外设和亮点：
 
3.1 MATH协处理器
XMC1302中集成一个MATH协处理器，它完全独立于CPU，工作在PCLK（64MHz）时钟下。MATH协处理包含了一个32位的DIVIDER和一个24位的CORDIC。DIVIDER单元实现32bit有符号/无符号除法。CORDIC单元实现24bit三角函数运算。DIVIDER和CORDIC单元可并行工作，该模块减轻了CPU的负荷，对于实现无感FOC控制算法提供了良好的支持。
 

图6  MATH协处理器
 
3.2 带有片上可调增益的12位VADC
XMC1302的多功能模/数转换器(VAD),包含一个按逐次逼近原理(SAR)工作的独立内核。其分辨率是从8位到12位可编程的。ADC每个通道的采样单元内置模拟放大，增益可调，可选1,3,6,12倍放大，可以省掉外部运放。XMC1302的ADC具有双采样保持单元，双通道可以同时采样。具体到实际应用中，就是两路电流可以同步采样，这对提高控制实时性能是极有好处的。ADC具有limit checking功能，当ADC转换结果落到指定区间内就会自动触发中断请求，而这个指定区间的门限是可以自由设定的。这就省掉了软件处理ADC转换结果并比较，提高了处理速度。
 
3.3 可输出PWM进行三相逆变器控制的CCU8单元
XMC1302的Capture/Compare Unit8由4个16位的定时器组成，每个16位的定时器都有定时、比较和捕捉的功能，这4个通道是完全独立的，有各自的分频器，可以独立工作。每个通道可以产生2对互补PWM，并可插入死区时间以防止开关短路，每对PWM波形的上升沿死区时间和下降沿死区时间可以分别产生。还可输出非对称的互补PWM。定时器的运行可以由软件触发，或用内部信号触发，或由外部引脚触发。定时器的中断也可以触发ADC等其它外设。这些特性使它的应用非常灵活，能满足各种需求，尤其是电机控制的需求。
 
3.4 模拟比较器ACMP
XMC1302内置三个高速模拟比较器(ACMP)，用于比较两个模拟输入电压。ACMP的输出反应非常快，延迟时间在25ns。它的输入电压偏差也非常小，只有3mv左右。这些特性都使它非常适合数字电源和电机控制的应用，模拟比较器的内部滤波器可以进行2n-10ns的滤波。最终比较器的输出可以输出到CPU的NVIC产生中断，也可以输出到CCU8，当作它们的外部触发事件。
 
随着人们的需求不断变化，吊扇的功能也呈现多样化，比如带LED彩灯控制的吊扇，XMC1302内部的BCCU可实现指数调光，并能够避免低频闪烁，使光线更加柔和自然。在此解决方案基础上可以进一步扩展，增加LED灯控功能。
 
4 结语
基于XMC1302的无感磁场定向控制（FOC）吊扇解决方案，专门针对吊扇、风机类应用的评估和开发而设计。XMC1302能较好实现无位置传感器控制算法，芯片有TSSOP38和QFN24封装，非常适合吊扇电路板的空间设计。该方案可为相关应用的用户提供初步的硬件测试平台和参考代码，同时英飞凌提供详细的设计文档，旨在缩短用户的学习、设计周期，加快开发进程。
 
参考文献

1. Infineon. Datasheet of Fixed-frequency 800 V / 950 V CoolSET™  https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-ICE5xRxxxxxZ-DataSheet-v01_10-EN.pdf?fileId=8ac78c8c7f2a768a017f8bce00aa6605  2022-07-19.
2. Infineon. Datasheet of TLE4284 https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-TLE4284-DS-v02_10-EN.pdf?fileId=5546d46258fc0bc101595f854dfc1f60 2007-03-20
3. Infineon. Datasheet of CIPOS™ Micro IPM 600 V, 2 A https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IM241_Series_2A-DataSheet-v01_06-EN.pdf?fileId=8ac78c8c81ae03fc0181f110b5c77f8e 2022-06-26
4. Infineon. Datasheet of XMC1300 AB-Step https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-xmc1300_AB-DS-v02_00-EN.pdf?fileId=5546d4624a0bf290014a4bdb073c25c6 2017-10