在空调如此普及的今天，选择更节能环保、舒适温和的吊扇来调节空气温度和环境舒适性仍然是许多人的选择。基于英飞凌XMC1302-T038X0032微控制器的吊扇解决方案，采用了英飞凌旗下先进的功率器件和电机控制技术，针对吊扇使用的PMSM电机进行无位置传感器控制，正弦波驱动使得吊扇旋转时非常安静，该方案可帮助用户加速产品设计。
　　2 方案介绍
　　该吊扇解决方案是一种三电阻无传感器FOC的PMSM电机控制吊扇解决方案，系统框图如图1所示。该方案旨在提供一种高效、稳健的吊扇解决方案，使电机平稳快速地启动至速度。

　

　　图1  基于XMC1302的吊扇解决方案系统框图
　　方案采用非隔离的15 V、700 mA高压（HV）降压转换器ICE5BR2280BZ[1]和单片集成NPN型电压调节器TLE4284[2]供电，用于提供15V和5V作为辅助电源输出。采用第五代固定频率功率CIPOSTM Micro IPM IM241[3]作为驱动。15V供给IM241，5V供给主控芯片XMC1302。英飞凌XMC1302是一款高性能32位ARM芯片，Cortex-M0内核，1.8-5.5V供电，无需和复位电路，适用于电机驱动、汽车电子领域[4]。5V供电相比与3.3V供电，IO口抗干扰能力强，这一点在汽车电子、工业电子领域更有优势。XMC1302内核工作频率为32MHz，外设工作频率为64MHz，内部带增益的ADC可进行电流检测和保护，CCU8输出6路PWM波至芯片IM241。算法采用无传感器FOC控制，三电阻采样，以提供速度和角度的准确估计，同时减少部件数量。
　　该方案采用载波频率16KHz，支持速度、电流闭环控制，弱磁控制模式。非静止启动功能使吊扇即使在初因外力而反向转动时也能正常旋转。方案还集成了多种保护，如硬件和软件过流保护、过压和欠压保护，以及缺相和堵转检测。发生故障后，一旦故障被清除，系统将尝试重新启动并恢复到上一个速度状态。算法响应速度快，参数配置简单，可直接闭环启动。图2为该方案的连接图。图3为正常运行的相电流波形图。图4为逆风启动的相电流波形。

　

　　图4 逆风启动相电流波形图
　　3 主控芯片XMC1302用于电机控制的外设
　　FOC控制框图如图5所示，其中包括：①坐标变换，包括Clarke/Park变换和Clare/ Park逆变换②位置和速度估计算法③PI控制，包括两个电流（d/q轴电流）PI环路和一个速度PI环路④SVPWM模块。

　

　　图5  FOC控制框图
　　从图5中我们可以看到，无感FOC控制要用到Clarke变换，Park变换、Clarke/Park逆变换、位置估算等算法。XMC1302是英飞凌专门为电机控制而设计的MCU，集成了专门针对电机应用优化的外设集，支持中低端电机常见的各种控制方式，它具有适合无感FOC控制的相关外设和亮点：
　　3.1 MATH协处理器
　　XMC1302中集成一个MATH协处理器，它完全独立于CPU，工作在PCLK（64MHz）时钟下。MATH协处理包含了一个32位的DIVIDER和一个24位的CORDIC。DIVIDER单元实现32bit有符号/无符号除法。CORDIC单元实现24bit三角函数运算。DIVIDER和CORDIC单元可并行工作，该模块减轻了CPU的负荷，对于实现无感FOC控制算法提供了良好的支持。

　

　　图6  MATH协处理器
　　3.2 带有片上可调增益的12位VADC
　　XMC1302的多功能模/数转换器(VAD),包含一个按逐次逼近原理(SAR)工作的独立内核。其分辨率是从8位到12位可编程的。ADC每个通道的采样单元内置模拟放大，增益可调，可选1,3,6,12倍放大，可以省掉外部运放。XMC1302的ADC具有双采样保持单元，双通道可以同时采样。具体到实际应用中，就是两路电流可以同步采样，这对提高控制实时性能是极有好处的。ADC具有limit checking功能，当ADC转换结果落到指定区间内就会自动触发中断请求，而这个指定区间的门限是可以自由设定的。这就省掉了软件处理ADC转换结果并比较，提高了处理速度。
　　3.3 可输出PWM进行三相逆变器控制的CCU8单元
　　XMC1302的Capture/Compare Unit8由4个16位的定时器组成，每个16位的定时器都有定时、比较和捕捉的功能，这4个通道是完全独立的，有各自的分频器，可以独立工作。每个通道可以产生2对互补PWM，并可插入死区时间以防止短路，每对PWM波形的上升沿死区时间和下降沿死区时间可以分别产生。还可输出非对称的互补PWM。定时器的运行可以由软件触发，或用内部信号触发，或由外部引脚触发。定时器的中断也可以触发ADC等其它外设。这些特性使它的应用非常灵活，能满足各种需求，尤其是电机控制的需求。
　　3.4 模拟比较器ACMP
　　XMC1302内置三个高速模拟比较器(ACMP)，用于比较两个模拟输入电压。ACMP的输出反应非常快，延迟时间在25ns。它的输入电压偏差也非常小，只有3mv左右。这些特性都使它非常适合数字电源和电机控制的应用，模拟比较器的内部滤波器可以进行2n-10ns的滤波。终比较器的输出可以输出到CPU的NVIC产生中断，也可以输出到CCU8，当作它们的外部触发事件。
　　随着人们的需求不断变化，吊扇的功能也呈现多样化，比如带LED彩灯控制的吊扇，XMC1302内部的BCCU可实现指数调光，并能够避免低频闪烁，使光线更加柔和自然。在此解决方案基础上可以进一步扩展，增加LED灯控功能。