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

來源:英飛凌官方

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。英飛凌的永磁同步馬達吊扇解決方案由非隔離 15V、700mA 高壓（HV）降壓轉換器 ICE5BR2280BZ 和單晶片整合 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馬達（PMSM）無感測器磁場定向控制（FOC），整組吊扇方案具有高性能和靈活性的特性。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。

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裝置和馬達控制技術，針對吊扇使用的 PMSM 馬達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，此方案可幫助使用者加速產品設計。

2、方案介紹

此吊扇解決方案為三電阻無感測器 FOC 的 PMSM 馬達控制吊扇解決方案，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，使馬達平穩快速地啟動至最大速度。

圖 1 基於 XMC1302 的吊扇解決方案系統框圖

方案採用非隔離的 15V、700mA 高壓（HV）降壓轉換器 ICE5BR2280BZ^[1] 和單晶片整合 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，適用於馬達驅動、汽車電子領域^[4]。 5V 供電相比與 3.3V 供電，IO 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 可進行電流偵測與保護，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。

本方案採用載波頻率 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。方案還整合了多種保護，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。演算法反應速度快，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。

圖 2 基於 XMC1302 的吊扇解決方案

3. 主控晶片 XMC1302 用於馬達控制的周邊

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位置和速度估計演算法 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。

3.1 MATH 協處理器

XMC1302 中整合一個 MATH 協處理器，它完全獨立於 CPU，工作在 PCLK（64MHz）時脈下。 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 控制演算法提供了良好的支援。

3.2 具有片上可調增益的12位元VADC

XMC1302 的多功能類比/數位轉換器（VAD），包含一個逐次逼近原理（SAR） 運作的獨立內核。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類比放大，增益可調，可選 1,3,6,12 倍放大，可省掉外部運算。 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取樣，這對提升控制即時效能是極有好處的。 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 位元的計時器都有定時、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。也可輸出非對稱的互補 PWM。定時器的運作可以由軟體觸發，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 內建三個高速類比比較器（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馬達控制的應用，而類比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 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。此方案可為相關應用的使用者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，旨在縮短使用者的學習、設計週期，並加快開發進程。

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