英飞凌空调风机及压缩机变频方 案介绍 英飞凌工业及多元化中国市场部 2011.3
主要内容 基于正旋波 hall 直流无刷电机风机参考设计介绍 基于磁场定向控制无 hall 直流无刷电机风机参考设计介绍 基于 XC878 空调压缩机参考设计介绍 其它信息 Set date Copyright Infineon Technologies 2010. All rights reserved. Page 2
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基于 XC866 带 HALL 传感器的 BLDC 风机驱动方案 主要特性 3 个霍尔信号输入, 平均速度法估算转子位置 速度 PI 调解器 自动超前角校正 PWM 控制方式 : 两相 三相正弦波控制 转速范围 :300-1200RPM(4 对极 ) 紧急中断输入引脚 CTRAP, 过流 过压保护 防反转启动 主要应用 家用空调风机中央空调风机家用及工业风机风扇 INFINEON 主要器件 评估样机 MCU: XC866 IGBT: IKD04N60R IGBT Driver: 6ED003L06-F SMPS: ICE3B0565J Copyright 10/21/2011 Infineon Technologies 2009. All rights Page 4 reserved.
基于 XC866 的直流无刷风机控制方案控制框图 AC220V ~ 开关电源 CoolSET F3 CoolMOS MCU XC866 直流无刷电机 直流母线电流相电流直流母线电压调速 Vsp 电压值 ADC CCU6 IGBT 驱动 EiceDRIVER 逆变电路 RCD IGBT 霍尔信号 BLDC 人机界面 UART GPIO FG 信号输出 3 个霍尔信号输入提供转子位置信息 ( 精度 :60 度 ) 每个 PWM 周期中断中进行转子位置估计 位置估计基于霍尔传感器提供的绝对位置信息以及转速信息 A/D 转换外部模拟信号输入 VR, 以调节正弦控制 紧急中断输入引脚 CTRAP: 过流 过压保护 2011/10/21
直流风机控制的特点及要求 负载转矩与转速的平方成正比 转速控制 启动要求 通常启动转矩要求小 某些应用, 需要大启动转矩 : 空调外机风扇 噪声 效率 2011/10/21
直流无刷电机控制方法 梯形波控制存在问题 控制方法简单 换向转矩脉动 换相噪声 电流断续 正弦波控制的特点 电磁转矩恒定 无转矩脉动 噪声低 电机控制效率高 控制要求高
正旋波控制的不同方式 电压型控制 三相正弦 PWM 控制 两相正弦 PWM 控制 电流型控制 矢量控制 (FOC) 本方案采用两相正旋 PWM 控制方式 控制目的 线电压 : 正弦 相电流 : 正弦 开关损耗降低 梯形波 Vs 两相正旋波 Set date Copyright Infineon Technologies 2010. All rights reserved. Page 8
XC866-1/2/4FR 主要特性 Key Benefits High performance XC800 Core WDT 3 timer PLL Up to 8- ch 10bit ADC Up to 2 x UART RAM 256 byte SSC DMU XRAM 512 byte XC800 CPU PMU Ports 3.3V or 5V 8/16kB Flash incl. 4kB DataFlash CC 6E compatible to standard 8051 Core Key Features 4/8/16 kbyte Flash (incl. 4 kbyte data flash) On-chip ROM with Bootloader & Flash routines 256 Byte RAM, 512 Byte XRAM On-chip debugging interface (JTAG) Three 16-bit timer/counters (T0/T1/T2) CAPCOM 6E for multifunctional motor control 8 channel 10-bit A/D converter Brown out detection UART (full duplex) Synchronous Serial Channel (SPI comp.) On-chip OSC and PLL for clock generation Power saving modes General-purpose I/O Port Package: P-TSSOP-38 (green) Temperature ranges: -40 C to +85 C -40 C to +125 C 3.3V or 5V (core supply over internal VR) two clocks per machine cycle architecture 8/16 kbyte Flash Memory for Program and Data On-chip debug support level 1 Industrial peripheral set
英飞凌的优势 特点 好处 增强的 8051 兼容内核 26.7MHz/2 cycle 电机控制专用单元 CCU6E 6 路 PWM 灵活的死区控制和上下管互补输出 CTRAP 硬件紧急中断 强大的 ADC 快速 ADC(<2us) 4 个转换结果寄存器 灵活的优先级处理 可由外部事件触发 汽车级的设计 Data Flash ( 模拟 EEPROM ) 快速方便开发 直接生成电机驱动信号 无需外部硬件即可实现同步整流 硬件保护 精确的电流采样和保护快速反电势检测高速电机应用 稳定, 耐高温, 产品的不良率要低很多 可以实现 IAP
Infineon MCU XC800 家族产品 64kB 52kB XC878 XC878 Vector Vector Computer Computer XC878 XC878 Vector Vector Computer Computer 32kB 24kB XC886 XC886 Vector Vector Computer Computer XC886 XC886 Vector Vector Computer Computer XC888 XC888 Vector Vector Computer Computer XC888 XC888 Vector Vector Computer Computer 16kB XC866 XC866 27MHz 27MHz 8kB XC835 Vector Computer XC836 XC836 Vector Vector Computer Computer XC866 XC866 27MHz 27MHz 4kB XC822 MDU XC864 27MHz XC824 MDU XC821 MDU XC836 XC836 Vector Vector Computer Computer XC866 XC866 27MHz 27MHz 2kB XC822 MDU TSSOP16 TSSOP20 DSO20 SSOP24 DSO24 TSSOP28 TSSOP38 QFP48 QFP64 23.03.2010 Page 11
Hall Sensor BLDC 风机主推产品 64kB 52kB 32kB 24kB 16kB 8kB XC836 4kB XC822 MDU XC824 MDU XC836 2kB XC822 MDU TSSOP16 TSSOP20 DSO20 SSOP24 DSO24 TSSOP28 TSSOP38 QFP48 QFP64 23.03.2010 Page 12
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基于 XC836M sensorless FOC 风机功能简介 主要特性 无位置传感器 FOC 空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 双直流母线电阻取样 转速范围 :300-1200RPM(4 对极 ) 正常启动 反转启动 正转启动 过流 过压 欠压 堵转 失步 断线检测 主要应用 家用空调室内风机 中央空调室内风机 风扇 Infineon 主要器件 测试样机 MCU:XC836M IGBT: IKD04N60R IGBT Driver:6ED003L06_F Set date Copyright Infineon Technologies 2010. All rights reserved. Page 14
经典的 FOC 控制算法框图 Target Velocity + - 0 Velocity PI-controller + - + - I d PI-controller I q PI-controller V d V q e j vector rotation V V Space Vector Modulator U V W PWM-Unit with integrated deadtime control Velocity calculation Flux estimator Trigger I d I q e -j vector rotation I I Current Calculation & 3 to 2 Fast ADC w/hardware Trigger I Z shunt Software Hardware 大量的软件计算需要高性能的单片机 : 通常需要 16/32 位单片机 /DSP 系统成本高 软件开发复杂 2011/10/21 Page 15
基于 XC836M 系列单片机实现 FOC 控制 Target Velocity + - 0 Velocity PI-controller + - + - I d PI-controller I q PI-controller V d V q e j vector rotation V V Space Vector Modulator U V W PWM-Unit with integrated deadtime control Velocity calculation Flux estimator Trigger I d I q e -j vector rotation I I Current Calculation & 3 to 2 Fast ADC w/hardware Trigger I Z shunt Hardware Hardware Co- Processor Software MDU XC836M 内嵌矢量计算机单元 并行与 CPU, 减少计算负荷 芯片采用 8051 核 系统成本低 容易使用, 升级 2011/10/21 Page 16
基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 启动方式 转速 Speed 转速 直流制动 开环控制 闭环控制 t t 直流制动 开环控制 闭环控制 t 能耗制动 反向开环 正向开环 闭环 静止启动反向启动正向启动 2011/10/21 Page 17
基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 试验波形 : 启动 - 转速平稳 基于 USPY 平台 2011/10/21 Page 18
基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 试验波形 相电流 :800RPM 2011/10/21 Page 19
基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 GUI 界面 - USPY 参数设置 参数显示 起停控制 系统状态显示 2011/10/21 Page 20
基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 GUI 界面 - 自定义 GUI(XC836 方案 ) 2011/10/21 Page 21
XC836M 主要特性 系统结构图 双时钟周期 8051 内核 内存 : 内建 ECC 机制的 8 k flash 存储器 128 字节的数据存储器 256 字节 XRAM/256 字节 RAM 1 x UART (with LIN support) 高速兼容 SPI 的同步串行口 (SSC) I2C 高性能电机优化的比较 / 捕捉单元 (CCU6E) 8 通道 10-bit ADC (1 µs 转换时间 ), 内部提供 1,2V 参考电压 大电流 I/O 管脚 25 个通用 I/O(28Pins) 省电模式 省电模式下 (RTC 运行 ) (< 5uA) 具有独立时钟源的 16 位可编程看门狗定时器 LED/TS 模块 支持 56 个 LED 驱动和 7 个触控按键 溢出比较器 单一宽供电范围 : 2.9V-5.5V 温度范围 : SAF (-40 C to 85 C) SAK (-40 C to 125 C) 2011/10/21 Page 22
XC800 实现磁场定向控制的重要特性 高性能 16 位矢量计算机 (CORDIC + MDU) 可编程的协处理器 重要功能 : CODIC MDU 和 CPU 计算之间可以互相嵌入运行 支持矢量旋转和各种变换 ( 如 :Park 变换 ) 归一化和比例调整 专用电机控制单元 (CapCom6E) 产生高精度空间矢量 PWM 死区时间自动插入 CTRAP 提供各种硬件保护 2011/10/21 Page 23
XC800 实现磁场定向控制的重要特性 快速 10 位 A/D 转换器 转换时间小于 1.5 µs 采样时间小于 200ns 可进行单直流母线电阻采样 减少转矩脉动 支持与 PWM 单元硬件同步 四个相互独立的结果寄存器, 提高采样性能 10/21/2011 Page 24
XC836M 新特性 CORDIC/MDU 性能提升 Input Clock 54MHz Max(XC878) 48MHz Max(XC836) Further support to Q15 calculation (XC836 Only) Multiply and shift 10/21/2011 Page 25
XC878/836 新特点 ROMLIB support XC836 only, 8KB Flash limit PI controller, Low pass filter, Vector rotation, etc Save user code size 10/21/2011 Page 26
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英飞凌空调方案的总体介绍 电路实物图 PFC 逆变单元 2011/10/21 控制板 辅助电源
方案总览 控制方式调制方式电流采样方式启动方式调制频率电频率变频器输出频率精度变频器最大输出功率变频器功率因素保护措施 无传感器磁场定向控制 (Sensorless FOC) 空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 双电阻桥臂取样电流闭环 5KHz 15~200Hz 高速 ( 90Hz):±0.5Hz 低速 (<90Hz):±1Hz 低速 (<30Hz):>+1Hz ( 需加力矩补偿 ) 1500W >99% ( 使用硬件 PFC) 过流保护 过载保护 过热保护 2011/10/21
主要元器件一览 单片机 SAF-XC878CM- 16FFI 5V 高性能双核处理器,52K-64K 片上 FLASH, 增强型矢量计算功能, 电机控制专用单元, 快速 A/D, 专用 PWM 控制单元 SMPS ICB3A0565 5V/15V 开关电源控制芯片 IPM 模块 IKCS17F60F2C IPM 模块,600V/17A PFC 控制器 ICE2PCS02 宽输入电压, 输入关断保护 IGBT IGW30N60T 快速 IGBT 单管,600V/30A, 2011/10/21
使用双取样电阻方案系统框图 Target Velocity + - 0 Velocity PI-controller + + - - I d PI-controller I q PI-controller V d V q e jψ Vector Rotation V α V β Space Vector Modulator U V W PWM-Unit With Integrated deadtime control PMSM ω Velocity Calculation ψ Flux Estimator Trigger I U I V I d I q e jψ Vector Rotation I α Current Calculation & 3ψ to 2ψ Fast ADC w/ Hardware Trigger I β Hardware Software Hardware Coprocessor MDU 与单取样电阻相比, 本方案优化了 : 对大功率负载的驱动 降低了对制板等与 EMC 相关的要求 2011/10/21
启动性能 采取电流 : 闭环方式 测试结果 : 启动可靠性冷启动 100% 热启动 (10s 延迟 100%) 静止切入闭环时间 : 5s 测试频率 :6KHZ, 8KHZ,10KHZ 10/21/2011 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 32
启动波形 (DA130S1C-20FZ) 双转子压缩机 23.03.2010 Page 33
900rpm 波形 ( DA130S1C-20FZ) 23.03.2010 Page 34
4500rpm 波形 ( DA130S1C-20FZ) 23.03.2010 Page 35
XC878CM-13/16FF: Target Features and Benefits WDT 4 timer PLL 8-ch 10bit ADC 2 x UART RAM 256 byte SSC High performance XRAM 3072 byte XC800 CPU Ports 3.3V or 5V Key Benefits Zero wait state flash 48/60kB Flash + 4kB EEPROM MDU Cordic CCU6E T2CCU 16-bit Vector computer operating at 2x CPU clock 64 kbyte Flash Memory for Program and Data CCU6 + T2CCU PWM timers Capable of running multiple motors Key Features 48/64 kbyte Flash (incl. 4 kbyte data flash) XC800 core@ 27.7MHz at 0 wait state 3 KB RAM 2 x UART (full duplex feature) On-chip OSC and PLL for clock generation Synchronous Serial Channel (SPI comp.) 16-bit Vector Computer Multiplication/Division Unit (MDU) CORDIC (High speed computation of trigonometric and hyperbolic functions) 8 channel 10-bit A/D converter Four 16-bit General purpose timers CAPCOM for multifunctional motor control T2CCU: PWM timer Brown out detection Watchdog Timer with programmable window On-chip debugging interface (JTAG) Power saving modes General-purpose I/O Port (46 GPIO) Package: PG-LQFP-64 Temperature ranges: -40 C to +85/105 C Voltage range from 3.0 to 5.5V 1 Motor + PFC
英飞凌 XC878 双核系列微控制器 增强型 8051 内核 26.67MHz 工作主频, 双机器周期 高性能的 16 位矢量计算机 (48MHz clock) = 完全可编程的协处理器 (CORDIC)+16 位乘 / 除单元 可以实现各种三角运算 矢量旋转和各种变换 提供各种硬件定点 浮点运算库 对 CPU 的依赖度大为降低 面向电机控制应用专用控制单元 (48MHz Clock) 专用的电机控制单元 (CAPCOM6E) 16 位精度, 用于高精度 SVPWM 的产生 死区时间自动插入, 可直接控制 MOSFET/IGBT CTRAP 可提供硬件保护功能 10 位快速模数转换器 ( 转换时间小于 1.5μs) 实现单次电流测量 最大限度地减少盲角以降低转矩脉动 与 PWM 单元实现硬件同步以降低 CPU 负荷 四个结果寄存器, 最大限度地提高采样性能 2011/10/21
使用 XC800 实现 FOC 参考设计方案对系统的要求 优化的 FOC 控制算法 程序存储器需求 : ~500 字节的常量 Flash ~4700 字节的程序 Flash 数据存储器需求 : ~200 字节的 IRAM ~600 字节的 XRAM ( 用于存储电流采样值, 可由串口发送到上位机 ) 2011/10/21
方案中的资源分配一览 CCU6 产生电机驱动所需要的 6 路 PWM 并实现电路硬件 (CTRAP) 保护功能 ADC 采样电流取样信号和控制器硬件保护所需的物理量 CORDIC 空间矢量脉宽调制信号 (SVPWM) 的产生 矢量变换 电流估算 MDU PI 参数调节 UART 与上位机通信以获取所要控制的参数 2011/10/21
英飞凌空调方案的总体介绍 上位机控制软件界面 2011/10/21
英飞凌方案的软件系统介绍 上位机控制界面 参数配置 2011/10/21
英飞凌其他可应用于空调的产品 单片机 分离 IGBT 驱动 SAF-XE162HN- 16F80L 6ED003L06-F * 英飞凌可提供不同功率等级的 IGBT 单管 高性能 16 位实时信号控制器,80MHz with MAC,128K 片上 FLASH,2 个电机控制专用单元, 快速双 A/D, 专用 PWM 控制单元, 适合一体机 6 路 PWM 驱动器 IGBT 单管 * IKA15N60T 单管 IGBT,600V/15A( 用于功率驱动 ) IGBT 单管 IGW30N60T 单管 IGBT,600V/30A( 用于 PFC) Diode IDP30E60 快速二级管, 用于整流 PFC IC ICE2PCS01 宽输入电压, 输入关断保护 Coolset ICB3B0365J 开关电源控制芯片 (5V/15V 输出 ) 10/21/2011 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 42
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MCU Performance Infineon s XC800 8-bit Family Offers the Scalability Required for a Wide Range of Motor Control Applications XC87x/M XC886/888M XC836M XC866-1FR XC822/4 XC866-2/4FR XC836 Enhanced Motor Control Method Block Commutation with Hall Sensor Block Commutation Sensorless Field Oriented Control Sensorless Field Oriented Control Sensorless + PFC
XE166 实时信号控制器主要特性 高达 80 MIPS 中断延迟小于 100 ns 高存储容量 高达 1600 KB Flash 高达 138 KB RAM 双 ADC 模块 10 位转换精度 (±2LSB) 多达 24 路通道 最小 675ns 转换时间 多达 4 个专用 CCU6 模块 灵活的通用串行接口单元 (USIC), 可支持 ASC SSC I 2 C LIN I 2 S 多达 6 个 CAN 节点 灵活的 IO 电压 3.3~5 V 4 种不同的封装类型 QFP64 QFP100 QFP144 QFP176 TSSOP38,VQFN48,TQFP64 available in Jun 2011/10/21 产品生命周期长, 可保证持续稳定的产品供应
XE166 架构 ( 以 XE167FM 系列为例 ) 2011/10/21
XE166 内核主要特点 C166SV2 内核 MCU 主频高达 100MHz 单指令执行周期 2 级指令预取流水线,5 级执行流水线 高性能的分支 调用和循环处理 分支检测和预测指令 (JMPA, CALLA..) 零周期跳转 快速上下文切换 ( 单周期 ) 灵活的中断系统 PEC 单元实现类 DMA 数据传送 高达 100MIPS DSP 单周期 16 位 x 16 位乘法 15 个时钟周期 32 位 x32 位乘法 DSP 指令集 (CoXXX 指令 ) 2KB DPRAM 可以并行处理读写操作, 进而提高 DSP 处理速度 支持 KEIL 和 TASKING 编译器的丰富 DSP 库函数
1. 集成度最高 节约成本 单电源供电 ( 嵌入式电压调节器 ) 用于产生内核电压 由电源验证电路来监控电压 欠压检测 片内振荡器 可选择通过片内振荡器或 XTAL 产生时钟 电源看门狗 2.5 V 电压调节器 XC164CM 片外晶振一旦出现问题 ( 如果外部晶振失效 ), 紧急启用片内振荡器 数据 Flash( 可模拟 EEPROM) 节省片外 EEPROM 灵活产生复位信号 多种可触发冷 热复位的片外和片内复位请求源 XE164F IO 口的可配置性能够有效降低 EMC 和减少片外元件
2. 类 DMA 快速数据传送 ( 外围事件控制器 PEC) 外围事件控制器 (PEC) 实现单周期数据传送 8 路 PEC 通道 PEC 中断请求级别可编程设置 ( 级别 15~8) PEC 结束中断的独立中断级别可选 源指针和目的指针全 24 位寻址 可由两个 PEC 通道构成一对进行数据传送 ( 如 0-1, 2-3, 3-4, 5-6, 6-7)
7. 高性能双 ADC 模块 2 个独立的 具有同步转换功能的 ADC 模块, 总共最多 30 路通道 5V/3.3V 电源电压 10 位转换精度 ±2LSB,80MHz 下转换时间最小 675ns 通道 0 的假名特性 (Alias Mode) 可选择数据预处理 ( 数据压缩滤波 极限范围检查 ) 具备结果 FIFO 功能 可由来自 CCU6 和定时器单元的事件触发转换 可触发 CCU6
使用 XE16x 系列单片机可实现压缩机 + 风机 + 软件 PFC 多合一空调解决方案 ~220V 整流电路 滤波电路 + PFC 调整 逆变器 U V W PMSM I U I V Compressor 辅助电源 PFC 算法 XE16x 系列 CC2 驱动保护电路 磁场定向控制算法 CCU60 SVPWM 上位机参数设置 UART /CAN /LIN 快速模数转换 快速模数转换 I U I V / I x / I y I x I y 磁场定向控制算法 CCU61 SVPWM 驱动保护电路 逆变器 x y z PMSM Fan 保护条件参数输入 2011/10/21