无器foc风机控制硬件设计指南.pdf

基于基于XMC1302的的 无器无器FOC风机控制硬件设计指南风机控制硬件设计指南 目录  背景意义  风机分类  设计对象  硬件设计 1 背景意义 风机水泵节能的意义 风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大——全 国风机、水泵电机装机总容量约35,000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40 ％％左右 现有运行中的风机和水泵，采用变频器和节能控制的，只占一定比例，还有很大的 节能潜力（约300～500亿kW· h/年），等效为5个1000MW的大型火力发电厂的 年发电量 根据《中华人民共和国实行能源效率标识的产品目录》，从空调等家电开始，对电 器设备逐步进行能耗识别，淘汰低能耗产品比如： ― 第五批：自动电饭锅、交流电风扇、交流接触器和容积式空气压缩机共4类产品 ― 第六批：电力变压器、通风机 国家对风机水泵产品的能耗要求逐步提高，促使风机水泵类制造企业，生产高效率 低能耗的电机和控制器 2 风机分类——Ⅰ 按照工作原理划分 离心风机气流轴向进入风机的叶轮后主要沿径向流动这类风机根据离心 作用的原理制成，产品包括离心通风机、离心鼓风机和离心压缩机。

轴流风机气流轴向进入风机的叶轮，近似地在圆柱形表面上沿轴线方向流 动这类风机包括轴流通风机、轴流鼓风机和轴流压缩机 回转风机利用转子旋转改变气室容积来进行工作常见的品种有罗茨鼓风 机、回转压缩机 离心风机 轴流风机 回转风机 2 风机分类——Ⅱ  按照功率等级划分 大型风机：锅炉鼓风机、风力发电机 中型风机：矿井通风、工厂通风、大型空调压缩机 小型风机：家电（电风扇、空调、灶具）、电源设备散热风机小型风机：家电（电风扇、空调、灶具）、电源设备散热风机 注：注：大型和中型风机主要由通用或专用变频器驱动，在此不做讨论 锅炉鼓风机 矿井通风机 3 设计对象  本文介绍如何设计一个基于英飞凌XMC1302的无感FOC风机电机控制器 风机：直流无刷电机（BLDC或者PMSM） 控制部分：英飞凌Cortex-M0内核的XMC1302，Sensorless FOC控制 功率部分：低压24V供电，功率100W  控制对象 小型（AC220V或低压直流供电）风机电机 小型风机电机在使用中，常有以下特点： ― 空间狭小，不方便安装位置/速度传感器（如空调压缩机） ― 成本要求苛刻，尽量不安装传感器（如抽油烟机） ― 对可靠性有一定要求，避免采用位置霍尔等易损传感器 抽油烟机电机 空调电机 4 硬件设计——系统框图  无感FOC风机控制硬件的系统框图如下图所示： 4 硬件设计——主要功能 控制方式控制方式 无位置传感器 FOC 调制方式调制方式 空间矢量脉宽调制（SVPWM） 电流采样方式电流采样方式 单母线电阻，双/三桥臂电阻取样 电流放大电路电流放大电路 运放 调制频率调制频率 16KHz以上 最大转速最大转速 9000转(4对极) 系统调试系统调试 上位机软件 功率等级功率等级 24V/100W 启动方式启动方式 静止启动、顺转启动 保护措施保护措施 过流、欠压、过压 4 硬件设计——硬件组成  无感FOC风机控制硬件由控制部分和功率部分组成。

 本设计中控制部分和功率部分自成板卡，相互间通过排线连接 基本框图如下图所示： 4 硬件设计——引脚分配 功能功能 引脚分配引脚分配 PWM PWMUH P0.0 PWMUL P0.1 PWMVH P0.2 PWMVL P0.3 PWMWH P0.8 PWMWL P0.9 硬件关断输入 TRAP P0.12 驱动使能 Enable P0.11 电流采样 Idc P2.9 Iu P2.11 Iv P2.10 Iw P2.3 可调电位器输入 POT P2.5 直流母线电压 Vdc P2.4 反电势采样 BEMFU P2.2 BEMFV P2.6 BEMFW P2.8  为确保能与“风机控制调试界面风机控制调试界面”配合使用，请设计时一定采用此引脚分配！ 4 硬件设计——引脚分配 功能功能 引脚分配引脚分配 HALL HALLU P1.2 HALLV P1.1 HALLW P1.0 SPI SPICS P1.4 SPICLK P2.0 SPITX P2.1 SPIRX P0.15  预留HALL和SPI引脚分配，可选 功能功能 引脚分配引脚分配 Debug SWDCLK P0.15 SWDDATA P0.14 RS-232 TXD P0.7/P1.3 RXD P0.6/P1.2  Debug和RS-232引脚分配 4 硬件设计——控制板  控制板主要功能： MCU：XMC1302-T038X0200 POSIF电机位置接口：三相霍尔位置传感器 SPI通讯接口支持片外DAC扩展 通讯接口：RS-232 仿真调试接口：Cortex-Debug接口，JLINK-Debug接口 功率信号接口：提供PWM信号，并采集功率板状态 4 硬件设计——控制板 •32位Cortex-M0内核 •硬件除法、三角运算单元 强大的运算能力 •用户程序运行，提升性能 16K SARM •支持移相PWM（SVPWM) 灵活的PWM生成单元CCU8 •两路电流同步采样 12位、1.28M ADC，双采保 •节省外围电路，位置检测 硬件比较器 •抗干扰性 5V供电 •应用领域 -40℃ ～105℃  XMC1302的主要特性： ARM Cortex M0，8-200K BYTES Flash,16K BYTES SRAM 支持THUMB指令，内嵌64M时钟MDU+CORDIC协处理器单元 灵活的ERU事件请求单元 PWM发生单元-CCU8 POSIF电机位置接口 UART/SPI通讯接口 ADC 4 硬件设计——控制板  控制板电路设计： 电源电路 ― XMC1302的外部供电电源范围为1.8~5.5V ― MCU的内核电压VDDC，由片上嵌入式稳压器产生 ― XMC1302的全速运行功耗~10mA(@VDDP=5V, fmclk=32MHz) ― 电源电路设计建议： ― 对于3.3V或5V供电的场合，可以直接供电 ― 对于高于5.5 V的场合，可以采用线性稳压器或LDO供电 ― UA78L05、LM1117、TLE42644G、LM317等 ― 因为电流较小，没有必要用DCDC，以控制成本 ― 在外设较少，且对模拟采样精度要求不高的场合，可以采用电阻串联稳压管的方式供电 （在特殊请下，可以使用） ― 稳压器后端的滤波电容选择：4.7uF或以上电容，并联0.1uF电容 ― 推荐采用瓷片电容 ― 电容最小值应该满足LDO的容值和ESR要求 复位电路 ― XMC1302的复位，包括主复位和系统复位 ― 主复位包括：上电、欠压、软件主复位 ― 系统复位包括：软件复位、WDT、ECC校验等 ― 1302无需专门的复位电路（但可以根据电源供电的情况，设置上电复位的门限电压） 时钟电路 ― XMC1302采用内部振荡器，无需外部晶体或时钟电路 4 硬件设计——控制板  RS232通信电路 主要功能 ― 修改BMI（Boot Mode Index—引导模式索引） ― 与“风机控制调试界面风机控制调试界面”通讯 电路设计 ― 电平转换芯片采用MAX232，参考设计如下图 ― 考虑灵活性，参考设计中使用P0.7/P0.6或者P1.3/P1.2作为RS232引脚，通过跳线配置。

4 硬件设计——控制板  仿真调试电路：XMC1302内置仿真调试电路，外围只需要一个简单的接口即可实 现仿真调试 Cortex-Debug接口 JLINK-Debug接口 4 硬件设计——控制板  POSIF电机位置接口电路 Hall接口 4 硬件设计——控制板  控制板/功率板信号接口 20pin接口，它是控制板和功率板之间的桥梁，通过排线连接 采集功率板电压、电流、指令等输入信号，经过控制板处理以后，将输出的PWM驱 动信号传送给功率板 4 硬件设计——功率板  功率板主要功能： 电源输入，辅助电源产生 电机驱动电路：6ED003L06及外围电路 信号采集电路：三相电流、母线电压等 功率电源保护滤波 控制板/功率板信号接口 电源接口、电机三相线接口 其它：如电位器  功率板设计要点 电源部分 ― 电源保护和滤波 ― 辅助电源设计 驱动部分 ― 功率器件（MOSFET）选型 ― 驱动芯片选型 ― 驱动电路设计 电流采样 4 硬件设计——功率板  电源部分 电源保护和滤波 ― 为了提高产品的可靠性，一般需对进线电源采取以下保护措施： ― 过流保护：通常采用保险管（常用于AC供电场合）或自恢复保险丝（低压直流供电常用）。

但大电流的保险较为昂贵，并且体积大，有时候也省去 ― 防反接 ― 高压小电流的防反接，可以用二极管 ― 大电流的防反接，可以用P沟道MOSFET，典型电路如右图这一环节会明显增加成本，所 以也经常省略 ― 滤波 ― 对于DC供电的场合，滤波电容的选择，主要考虑纹波电流、纹波电压、以及电源到功率板 的线缆情况（电感）简化的选择依据是：在满足纹波电压的情况下，电容发热在允许范围 之内（纹波电流不至于让电容有过高的温升） ― 为了防止误操作，一般加电源指示灯 4 硬件设计——功率板 辅助电源设计 ― 对于低压直流供电的控制器，辅助电源可以采用线性电源（比如LM7815、LM317）等，以 简化电路、节省成本 ― 也可以采用DC/DC电源，以降低辅助电源的功耗 常用方案有：LM2596，LM2576，LMZ12xxx，LM5007，TLE6365等 ― 如果供电电压超过60V，则可以用隔离型的DC/DC提供辅助电源， 常用器件有：UCC2842/2843/2844/2845，TOPswitch系列，ICE系列（ICE2Axx65， ICE3Bxx65，ICE3AS03LJG等），NCP系列（NCP1050，NCP1200等） 4 硬件设计——功率板 参考设计中功率板电源电路 ―采用LM317，提供15V驱动电源; ―采用78M05，提供5V电源，为MCU和运放电路供电 4 硬件设计——功率板  驱动部分 MOSFET选型 ― 重点考虑以下因素 ―电压裕量：留有40%或以上裕量。

比如24V的系统，用 55V/60V的MOSFET60V的系统，用100V的MOSFET ―导通内阻： 内阻低发热小，便于控制器的热设计，但成本通 常较高 ―电流裕量：正弦波峰值相比MOSFET的Inom，留出30%以 上裕量（同等温度下）如果电机经常在低频运行，则电流 裕量需要更大电流裕量主要作为参考，最终的选择依据， 是MOSFET及关联部分（比如PCB）不能过热 ―封装形式： ― 封装形式影响安装方式和散热设计 ― 趋势是采用引线电感更低贴片封装（比如D2PAK，DPAK、 CanPAK、SuperSO8等封装） ― TO220等传统封装，因为安装固定较为繁琐，在小型风 机水泵控制器设计中较少采用 ―供货情况 ―价格、性价比 ― AC220V供电的小功率电机控制，可以选择分 立的IGBT、MOSFET或者集成度较高的IPM 4 硬件设计——功率板 MOSFET选型 ― 本控制器电压为24V（允许有一定电压波动），选择40V或55V/60V的MOSFET ― 为了避免采用散热器，选用内阻较小的MOSFET ― 综合考虑，参考设计中选用英飞凌BSC016N06NS ― 耐压60V ― 内阻 1.6 mohm ― 如果考虑低成本，也可以选择内阻较大的BSC或DPAK封装的MOSFET ― IPD50N06S2L-13 ― BSC054N04NS G 4 硬件设计——功率板 驱动芯片选型 ― 考虑因素： ― 。