英飞凌风机控制方案介绍

英飞凌风机控制方案介绍 英飞凌科技 ( 中国 ) 有限公司 工业和多元化市场 2011 马达控制及应用技术研讨会

Table of contents 英飞凌风机方案概述 BLDC 简易正弦波风机方案介绍 BLDC 无传感器 FOC 方案介绍 5/27/2011 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 2

Table of contents 英飞凌风机方案概述 BLDC 简易正弦波风机方案介绍 BLDC 无传感器 FOC 方案介绍 5/27/2011 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 3

直流无刷电机控制 直流无刷电机控制方式 - 梯形波控制 控制方法简单 容易实现 电流断续 梯形波控制相电流及驱动波形 Page 4

直流无刷电机控制 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 电机类型差异 ( 反电势 ) 方波 ( 梯形波 ) 正弦波 ( 永磁同步电机 ) 正弦波电机 + 梯形波控制 正弦波控制 Page 5

直流无刷电机控制 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 控制方式 电压型控制 电流型控制 Page 6

直流无刷电机控制 电压型控制 对电机施加正弦或其他形式的电压 三相 / 两相 SPWM 五段 / 七段 SVPWM 电机相电流为正弦波 电流型控制 矢量控制 采样电机电流 解耦 + 复杂控制 使定子磁场始终垂直于转子磁场 电机效率高 实现成本高 Page 7

英飞凌解决方案 BLDC 简易正弦风机控制方案 ADC 输入 VR V 3 相 /2 相正弦波控制 U V W PWM 生成单元 (CCU6) 驱动器 + 逆变桥 M Q 转速计算 & 转子位置估计 60deg ISR 霍尔信号输入逻辑 Hall sensors 3 个霍尔信号输入, 平均速度法估算转子位置 速度 PI 调节器 自动超前角校正 PWM 控制方式 : 两相 三相正弦波控制 五段 / 七段 SVPWM 紧急中断输入引脚 CTRAP, 过流 过压保护 XC866/XC836 可以满足应用需求 Page 8

英飞凌解决方案 BLDC 正弦风机控制方案 单片机 SAF-XC866 2FRI 增强型 8051 内核,16K 片上 FLASH, 电机控制专用单元, 快速 A/D, 专用 PWM 控制单元 CCU6E IGBT 驱动 6ED003L06-F 6 路 PWM 驱动器 IGBT 单管 IKD04N60R 单管 IGBT,600V/4A 开关电源 ICE3B0565J 650V 67KHz RDSon = 4.7ohm 2011/5/27 10.02.2010 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 9

U H U L V H V L W H W L 英飞凌解决方案 基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 S1 S3 S5 控制方式 无位置传感器 FOC AC ~ R1 R2 Udc S2 IKD04N60R S4 S6 PMSM 调制方式电流采样方式 MCU 空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 双直流母线电阻取样 XC878/XC836 800RPM Rdc Ra Rb 调制频率 10KHz 开关电源 +5V ICE3B0365J +15V Idc 驱动电路 6ED003L06 电流电压采集电路 风机转速范围 300-1200RPM 最大输出功率 <100W PC RS232 状态显示 I/O ASC CCU6 XC878 A/D Idc Iu Iv Udc BEMF_U BEMF_V BEMF_W VSP 启动方式保护措施上位机平台 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 USpy 单片机 SAF-XC878M-13FFI 5V 高性能双核处理器,52K 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 IGBT 驱动 6ED003L06-F 6 路 PWM 驱动器 IGBT 单管 IKD04N60R 单管 IGBT,600V/4A 开关电源 ICE3B0565J 650V 67KHz RDSon = 4.7ohm 2011/5/27 10.02.2010 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 10

英飞凌解决方案 基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 相电流 :800RPM 2011/5/27 10.02.2010 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 11

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BLDC 简易正弦波风机方案介绍 电压型控制 根据霍尔信号产生正弦波控制电压 SPWM SVPWM SPWM 相电压为正弦波 容易生成 直流母线电压利用率为 86% SPWM 控制与梯形波控制关系 Page 13

BLDC 简易正弦波风机方案介绍 相电压 相电流 SPWM 控制相电压 \ 相电流波形 Page 14

BLDC 简易正弦波风机方案介绍 开关损耗最小 SPWM 控制 控制目的 线电压 : 正弦 相电流 : 正弦 开关损耗降低 直流母线电压利用率 100% 梯形波控制 两相正弦波控制 Page 15

BLDC 简易正弦波风机方案介绍 相电流 开关损耗最小 SPWM 控制相电压 \ 相电流波形 Page 16

BLDC 简易正弦波风机方案介绍 SPWM 与开关损耗最小 SPWM 比较 Hall A Hall B Hall C Hall A Hall B Hall C Voltage A Voltage A Voltage B Voltage B Voltage C Voltage C Three phases SPWM Two Phases SPWM Page 17

XC866-1/2/4FR 介绍 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) 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 Key Benefits 8/16kB Flash incl. 4kB DataFlash CC 6E High performance XC800 Core compatible to standard 8051 Core two clocks per machine cycle architecture 8/16 kbyte Flash Memory for Program and Data On-chip debug support level 1 Industrial peripheral set Page 18

XC800 - 专用 PWM 生成单元 CCU6 CCU6 结构图 address decoder fper Interrupt control T12 T13 Start channel 0 channel 0 channel 0 channel 3 compare compare capture 1 1 1 compare dead-time control compare compare output select multichannel control Hall input capture/compare input / output control output select trap control 1 3+3 2 2 2 3 1 trap input T12HR T13HR COUT63 COUT60 CC60 COUT61 CC61 COUT62 CC62 CCPOS0 CCPOS1 专用霍尔传感器模式 CCPOS2 CTARP port control Page 19

Deadtime generation Modulation Control Port Control Logic CCU6 实现直流无刷电机正弦波控制 PWM 生成框图 Mode DTCx CTRAP F CPU Input Control T12 Compare Timer 16-bit CC Channel 0 CC0 CC Channel 1 CC1 CC60 COUT60 CC61 COUT61 CC Channel 2 CC2 CC62 COUT62 Hall Effect Sensors T13 滤波 硬件自动完成 CCPOS0 CCPOS1 CCPOS2 Filtering and comparison CHE Block Commutation Control Page 20

CCU6 实现直流无刷电机正弦波控制 电压型控制中的关键问题 正弦波控制电压的产生 转子位置估计 转速 + 霍尔 霍尔位置误差 不同速度的补偿 定子磁场与转子磁场关系 转速计算误差 高速风机 Page 21

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经典的 FOC 控制算法框图 Target Velocit y + - 0 Velocit y PI-controller + - + - I d PI-controller I q PI-controller V d V q e j vecto r rotation V V Space Vector Modulator U V W PWM- Unit with integrated deadtime control Velocit y calculation Flux estimator Trigger I d I q e -j vecto r rotation I I Current Calculatio n & 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 Page 23

XC886,888,878 Based Implementation of Field Oriented Control 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 内嵌矢量计算机单元 并行与 CPU, 仅需 58% CPU load 即可实现 FOC 控制 芯片采用 8051 核 系统成本低 容易使用, 升级 Page 24

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 : ~5K 字节的程序 Flash 数据存储器需求 : ~200 字节的 IRAM XC878 系列 New XC836 系列 Page 25

Infineon 8 位 MCU 介绍 系统结构图 双核单片机!! XC878 XC836 Page 26

XC886/888/878 实现磁场定向控制的重要特点 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 Page 27

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 5/27/2011 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 28

XC878/836 新特点 ROMLIB support XC836 only, 8KB Flash limit PI controller, Low pass filter, Vector rotation, etc Save user code size 5/27/2011 Copyright Infineon Technologies 2009. All rights reserved. Page 29

U H U L V H V L W H W L 基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 结构框图 R 1 S1 S3 S5 AC ~ Udc R 2 S2 IKD04N60R S4 S6 PMSM R d c R a R b 开关电源 +5V ICE3B0365J +15V Idc 驱动电路 6ED003L06 电流电压采集电路 P C RS232 状态显示 I/O ASC CCU6 XC878 XC836 A/D Idc Iu Iv U d c B E M F _ U B E M F _ V B E M F _ W V S P Page 30

基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 控制方式调制方式 MCU 电流采样方式调制频率风机转速范围 无位置传感器 FOC 空间矢量脉宽调制 (SVPWM) XC878,XC836 双直流母线电阻取样 10KHz 300-1200RPM 最大输出功率 <100W 启动方式 保护措施 上位机平台 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 USpy Page 31

基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 电流采样 Double shunt resistor 采样时刻 Power MOSFET S1 tdt t 3 Phase PMSM t S3 t ADC Channel 6 S5 t ADC Channel 7 T0/4 T2/2 T1/2 T0/4 T0/4 T1/2 T2/2 T0/4 Page 32

基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 启动步骤 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 Page 33

基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 GUI 界面 参数设置 参数显示 起停控制 系统状态显示 Page 34

基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 启动 - 转速平稳 基于 USPY 平台 Page 35

基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 相电流 :800RPM Page 36

基于 FOC 的永磁同步风机驱动方案 方案中遇到的难点 大负载情况下, 反转启动可靠性 反转制动, 正向启动 要求 100% 启动 效率要求 转速波动 SVPWM 生成方式 三相 SVPWM 两相 SVPWM (Next Step) 开环 -> 闭环切换的可靠性 现有方案 : 转速超过设定值, 即切换 Page 37