无感FOC风机控制硬件设计指南

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）
无位置传感器 FOC 空间矢量脉宽调制（SVPWM） 单母线电阻，双/三桥臂电阻取样 运放 16KHz以上 9000转(4对极)
系统调试
功率等级 启动方式 保护措施
上位机软件
24V/100W 静止启动、顺转启动 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。



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
XMC1302的主要特性：

―
― 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
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
强大的运算能力 •32位Cortex-M0内核 •硬件除法、三角运算单元 16K SARM •用户程序运行，提升性能 灵活的PWM生成单元CCU8 •支持移相PWM（SVPWM) 12位、1.28M ADC，双采保 •两路电流同步采样 硬件比较器 •节省外围电路，位置检测 5V供电
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

预留HALL和SPI引脚分配，可选。
功能 HALLU HALL HALLV HALLW SPICS SPI SPICLK SPITX SPIRX 引脚分配 P1.2 P1.1 P1.0 P1.4 P2.0 P2.1 P0.15
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
UART/SPI通讯接口 ADC
•抗干扰性
-40℃ ～105℃ •应用领域
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
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MOSFET。60V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
― 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
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：


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

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
― 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：
― 隔离驱动（光耦等）、还是用单电源的自举供电驱动。自举供电的驱动，成本会有明显节省。 ― 驱动电流大小：对于大电流MOSFET或者并联驱动的MOSFET，通常需要较大驱动电流的驱动 器。 ― 驱动芯片电压范围：有些驱动芯片（比如汽车级的驱动IC，如TLE6280等），可宽电压工作 （8~30V）。而有些驱动器，则电压范围有限。 ― 集成度：6ED003L06-F2和IR2136等，可全桥驱动，集成度较高。 ― 价格、供货。
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
P0.12
P0.11 P2.9 P2.11 P2.10 P2.3 P2.5 P2.4 P2.2 P2.6 P2.8
电流采样
可调电位器输入 直流母线电压 反电势采样
4 硬件设计——引脚分配
Debug和RS-232引脚分配
功能 Debug RS-232 SWDCLK SWDDATA TXD RXD 引脚分配 P0.15 P0.14 P0.7/P1.3 P0.6/P1.2
― 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
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 调制方式 电流采样方式 电流放大电路 调制频率 最大转速
基于XMC1302的 无器FOC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：
― 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”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。
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
― 常用驱动芯片：
― ― ― ― IR21xx（2101，2103,2010,2136,2184,...） 1ED,2ED,6ED,... ACPL-316J, ACPL-3120,ACPL-P341,... TD350,TD352,...
― 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。
基本框图如下图所示：
4 硬件设计——引脚分配
为确保能与“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！
功能 PWMUH 引脚分配 P0.0
PWMUL
PWM PWMVH PWMVL PWMWH PWMWL
P0.1
P0.2 P0.3 P0.8 P0.9
硬件关断输入
驱动使能
TRAP
Enable Idc Iu Iv Iw POT Vdc BEMFU BEMFV BEMFW