XC 800 Fa mil y 基于 英 飞 凌 XC 836 M 的直 流 无 刷电 机 无传 感 器磁 场定 向 控制 参考 设 计 AP98001 Applic atio n N ote V1.0 2012-10 Mic rocon t rolle rs Edition 2012-10 Published by Infineon Technologies AG 81726 Munich, Germany © 2012 Infineon Technologies AG All Rights Reserved. LEGAL DISCLAIMER THE INFORMATION GIVEN IN THIS APPLICATION NOTE IS GIVEN AS A HINT FOR THE IMPLEMENTATION OF THE INFINEON TECHNOLOGIES COMPONENT ONLY AND SHALL NOT BE REGARDED AS ANY DESCRIPTION OR WARRANTY OF A CERTAIN FUNCTIONALITY, CONDITION OR QUALITY OF THE INFINEON TECHNOLOGIES COMPONENT. THE RECIPIENT OF THIS APPLICATION NOTE MUST VERIFY ANY FUNCTION DESCRIBED HEREIN IN THE REAL APPLICATION. INFINEON TECHNOLOGIES HEREBY DISCLAIMS ANY AND ALL WARRANTIES AND LIABILITIES OF ANY KIND (INCLUDING WITHOUT LIMITATION WARRANTIES OF NON-INFRINGEMENT OF INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS OF ANY THIRD PARTY) WITH RESPECT TO ANY AND ALL INFORMATION GIVEN IN THIS APPLICATION NOTE. Information For further information on technology, delivery terms and conditions and prices, please contact the nearest Infineon Technologies Office (www.infineon.com). Warnings Due to technical requirements, components may contain dangerous substances. For information on the types in question, please contact the nearest Infineon Technologies Office. Infineon Technologies components may be used in life-support devices or systems only with the express written approval of Infineon Technologies, if a failure of such components can reasonably be expected to cause the failure of that life-support device or system or to affect the safety or effectiveness of that device or system. Life support devices or systems are intended to be implanted in the human body or to support and/or maintain and sustain and/or protect human life. If they fail, it is reasonable to assume that the health of the user or other persons may be endangered. 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 XC836M Revision History: V1.0, 2012-10 Previous Version: none Page Subjects (major changes since last revision) We Listen to Your Comments Is there any information in this document that you feel is wrong, unclear or missing? Your feedback will help us to continuously improve the quality of this document. Please send your proposal (including a reference to this document) to: [email protected] 设计指导手册 3 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 Table of Contents Table of Contents 1 1.1 1.2 1.3 1.4 方案概述 ............................................................................................................................................... 5 应用对象 ............................................................................................................................................... 5 系统构成 ............................................................................................................................................... 5 功能与指标 ........................................................................................................................................... 6 XC836M 简介 ....................................................................................................................................... 6 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 硬件设计 ............................................................................................................................................... 8 结构框图 ............................................................................................................................................... 8 MCU 相关电路 ...................................................................................................................................... 8 驱动电路 ............................................................................................................................................... 9 逆变电路 ............................................................................................................................................. 10 电流放大电路 ...................................................................................................................................... 11 直流母线电压检测电路 ....................................................................................................................... 11 接口 .................................................................................................................................................... 12 硬件实物图 ......................................................................................................................................... 12 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 算法设计 ............................................................................................................................................. 13 磁场定向控制 ...................................................................................................................................... 13 转子位置估算 ...................................................................................................................................... 13 SVPWM .............................................................................................................................................. 14 电流采样 ............................................................................................................................................. 16 启动控制 ............................................................................................................................................. 17 闭环控制 ............................................................................................................................................. 20 4 4.1 4.2 4.3 4.4 软件设计 ............................................................................................................................................. 21 XC836M 资源分配 .............................................................................................................................. 21 项目文件及程序说明 ........................................................................................................................... 25 定标 .................................................................................................................................................... 26 程序流程图 ......................................................................................................................................... 29 5 5.1 5.2 5.3 方案测试 ............................................................................................................................................. 30 测试条件 ............................................................................................................................................. 30 测试方法 ............................................................................................................................................. 30 测试结果 ............................................................................................................................................. 30 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 开发指南 ............................................................................................................................................. 32 参数确认 ............................................................................................................................................. 32 硬件电路参数修改............................................................................................................................... 32 运行参数计算及更新 ........................................................................................................................... 33 启动参数调整 ...................................................................................................................................... 35 闭环运行参数调整............................................................................................................................... 36 保护参数调整 ...................................................................................................................................... 36 程序编译及下载 .................................................................................................................................. 36 运行 .................................................................................................................................................... 37 参数调试 ............................................................................................................................................. 38 7 7.1 7.2 7.3 7.4 附件 .................................................................................................................................................... 39 MCU 部分原理图 ................................................................................................................................ 39 逆变电路原理图 .................................................................................................................................. 40 XC836Minikit 原理图 .......................................................................................................................... 41 参考代码 ............................................................................................................................................. 41 设计指导手册 4 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 方案概述 1 方案概述 1.1 应用对象 在当今节能减排的趋势下，电机作为耗能大户，其效率的提升一直是业界努力的方向，包 括电机效率及控制器效率。英飞凌作为全球主要的半导体厂商，针对电机控制器，提供从微控 制器、电源管理 IC、驱动电路及功率器件的整体解决方案。 直流无刷电机由于其效率高、体积小、可靠性高等优点，使用范围越来越广。通常采用梯 形波控制，控制简单，但换向噪声较大，在一些特定应用领域无法满足要求，而正弦波控制可 以实现较低的运行噪声。磁场定向控制(FOC)做为正弦波控制的一种，具有控制特性好，转速 精度高，噪声低等特点，由于算法较复杂，通常需要 16 位或 32 位微控制器才能实现，而英飞 凌的 8 位微控制器 XC836M 可以实现磁场定向控制，具有较高性价比。 本设计指导将介绍直流流无刷电机的无传感器磁场定向控制，及基于 XC836M 的风机应用 参考设计。包括硬件，软件说明，开发流程介绍，并附相关原理图及参考代码。 1.2 系统构成 系统结构框图如 Figure 1 所示，由整流电路、开关电源、微控制器、逆变单元、驱动电路、电 流采样及放大电流，下载及监控接口等部分组成。其中整流滤波、开关电源、RS232 电平转换 等采用已有模块，本文不做详细介绍。 整流滤波 SMPS 220V AC VDC PMSM GND 15V CN1 CN2 DAP Miniwiggler XC836M 隔离 JP1 6ED003L06 接口板 RS232，下载 Figure 1 IKD04N60R 系统结构框图 XC836M 主要完成电机相电流采样，磁场定向控制，位置估算，PWM 生成，同时通过 UART(RS232)与上位机通讯，实现系统控制与实时信息监控。驱动电路采用英飞凌 6ED003L06, 逆变电路采用英飞凌分立 IGBT IKD04N60R。 设计指导手册 5 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 方案概述 1.3 功能与指标 参考方案主要功能如下： 控制方式： 无传感器磁场定向控制 电机类型： 永磁同步电机（风机） 电流采样方式： 双桥臂电阻采样 电机调速范围： 300RPM – 1200RPM(4 对极) 微控制器： XC836M 启动方式： 静止启动 保护方式： 过流，过压、欠压，过载 转速控制： 上位机软件、外部电压输入 软件开发环境: Keil C51 V9.03 硬件电路参数： 供电电压： 310V DC 额定功率： 100W 1.4 XC836M 简介 XC836M 为 XC800 微控制器最新产品，采用增强型 8051 内核，主频 24MHz，片上集成 8KByte Flash, 512 字节 RAM，内嵌 16 位矢量计算机单元(MDU, CORDIC) ，可进行 16 位乘、 除法，三角运算，大大提升了 8 位控制器的运算能力，片上集成了专用电机控制单元 CCU6， 以及强大、灵活的 10 位 ADC，适应于直流无刷电机、永磁同步电机控制。 XC836M 主要特点如下： 高性能 XC800 内核 - 兼容标准 8051 内核 - 双机器周期指令结构 - 双数据指针 片上存储器 - 256 Bytes RAM - 256 Bytes XRAM - 4/8K Bytes Flash I/O 电压 2.5V-5.5V，内核电压：2.5V(内部调压器生成) 主频：24MHz 工作电压：2.5V - 5V 片上晶振(48MHz) 可编程 16 位 Window WDT，独立时钟源 三个 16 位通用定时器(T0、T1、T2) RTC 单元 16 位矢量计算单元，用于复杂算法实现 - 乘除法单元，支持 16 位乘除法运算 - CORDIC 单元，可用于三角运算如 等 专用电机控制单元 CCU6 - 两个 16 位专用定时器单元 T12、T13 - T12 支持 3 组比较/捕获通道（三对互补 PWM） - T13 支持 1 路比较输出通道 设计指导手册 6 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 方案概述 集成死区时间生成单元，可输出互补 PWM 信号，防止功率级短路 定时器支持单次运行模式 支持类磁滞控制模式 专用霍尔传感器模式，硬件支持直流无刷电机的块交换控制 a) 自动进行霍尔信号的滤波、采样、比较以及输出换相操作 b) 自动检测电机速度 - 集成多通道模式，支持多相电机的控制 - 可与 A/D 单元进行联动，自动触发 A/D 转换操作 增强型 A/D - 8 个通道，8/10 位转换精度 - 采样时间可编程，最小转换时间<1μs - 支持差分输入 - 4 个独立的结果寄存器 - 支持自动扫描功能 - 支持队列、扫描转换请求 - 转换结果自动边界检测功能 - 丰富的中断节点，优先级可配置 丰富的串行口单元 - 全双工 UART - 高速 SSC (兼容 SPI) - I2C 接口 支持单线调试 SPD 封装: PG-TSSOP-28 温度：-40℃ - 85℃ - 设计指导手册 7 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 硬件设计 2 硬件设计 2.1 结构框图 硬件结构如 Figure 2 所示。包含 MCU 相关电路、驱动电路、逆变电路、电流采样及放大电路 等。 310V S1 S3 S5 R1 GND Udc +15V PMSM IKD04N60R S2 S6 S4 R2 Ra Rb Idc H U L U H V L V H W L W Rdc 驱动电路 6ED003L06 PC Figure 2 硬件结构框图 2.2 MCU 相关电路 Figure 3 MCU 相关电路 设计指导手册 Idc Iu Iv CCU6 状态 显示 RS232 电流电压采 集电路 I/O XC836 M ASC 8 A/D Udc BEMF_U BEMF_V BEMF_W VSP V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 硬件设计 LED1、 LED2 用于系统状态显示，POT_IN 为外部速度指令输入，经过低通滤波后输入到 P2.1， JP1 为 SPD 程序下载及外部 RS232 通信接口，JP2 用于普通 I/O 接口，可用于外部功能扩展或系 统调试。 XC836M 资源分配见 Table 1。 Table 1 XC836 资源分配表 功能分类 电机驱动 PWM 信号输出 引脚名称 P1.0/ COUT60 所属模块 CCU6 说 明 U 相下管 P1.1/ CC60 U 相上管 P1.2/ COUT61 V 相下管 P1.3/ CC61 V 相上管 P1.4/ COUT62 W 相下管 P1.5/ CC62 W 相上管 保护输入 控制输出 P0.3 P0.0 模拟信号输入 P2.6 P2.7 过流保护 Driver IC 使能信号 I/O 相电流 IV 相电流 IU A/D P2.5 直流母线电流 IDC P2.4 直流母线电压 P2.3 V 相反电势 P2.2 U 相反电势 P2.1 调速信号输入 W 相反电势 P2.0 通讯 P0.5 P0.6 UART RXD TXD 调试 P3.2 SPD 调试接口 2.3 驱动电路 IGBT 驱动采用英飞凌 6ED003L06, 电路图见 Figure 4。 设计指导手册 9 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 硬件设计 Figure 4 驱动电路原理图 其中/FO 为保护信号输出，当功率管发生过流时，COM 脚电平大于限值(0.46V, 参见 6ED003L06-F.pdf)，6ED 会自动封锁 PWM 输出，且/FO 会输出低电平，通知微控制器关闭 PWM 输出。 实际过流保护值计算公式如下： 2.4 逆变电路 Figure 5 逆变电路原理图 逆变电路功率管采用 IKD04N60R，R37、R38 为 0.22ohm 电阻，用于桥臂电流采样。R39 用 于短路保护检测，CN2 为电机线端子。 设计指导手册 10 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 硬件设计 2.5 电流放大电路 Figure 6 电流放大电路原理图 U1A、U1B 用于相电流信号放大，由于通过桥臂电阻采样到的电压信号有可能为负值，为了能 得到所有信息，增加 2.5V 偏置电路。2.5V 电压由 IC6 LM1117 产生。U2A, U2B 用于直流母线及母 线电压放大。 经过放大的电流采样信号 V 与电机相电流 I 之间的关系为(以 U 相电流为例): ； 电流放大倍数: 。 实际参数计算中需要考虑运算放大器的输出范围，在本方案中由于 LM358 的输出限制，参数计 算式 应小于 3.7V。 直流母线电压检测电路 2.6 直流母线电压经过分压、滤波电路、跟随电路输入 MCU。 Figure 7 直流母线电压采样原理图 相关参数选择需要考虑直流母线电压值 VDC，及运放电路的输出限制（此方案中使用的 LM358 最大输出电压 3.7V）。 设计指导手册 11 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 硬件设计 2.7 Table 2 接口 硬件接口说明 接口 CN1 CN2 JP1 JP2 2.8 说明 Power Input：310V, 15V, GND Motor Connection: U,V,W 通信，模拟量输入（TXD，RXD，SPD，POT） I/O 输出，调试用 硬件实物图 VDC、 +15V 输入 XC836M IKD04N60R 6ED003L06 调试、下 载接口 电机 U,V,W Figure 8 硬件实物图 测试电路板，仅供参考。 设计指导手册 12 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 3 算法设计 3.1 磁场定向控制 磁场定向控制是永磁同步电机及交流异步电机中广泛使用的一种控制方式，通过坐标变换, 将复杂的交流电机模型转换为简单的直流机模型，实现励磁电流与转矩电流的解耦，使交流电 机可以达到直流电机的控制效果，其结构框图见 Figure 9。 VDC 0 ωref + + - + Speed PI-controller - Position & Speed Sensing Id PI-controller Vd Iq PI-controller Vq ej vector rotation V Space Vector V Modulator CCU6 θ Id -j Iq e vector rotation I I Iu Iv Current Calculation & 3 to 2 Position Sensor Figure 9 PMSM 磁场定向控制原理图 相电流 通过 Clark 变换，由三相定子坐标系系转换到两相定子坐标系（ ）,通过 Park 变换，由两相定子坐标系变换到两相旋转坐标系( )，在 park 变换中会用到转子的位置 信息θ。 为励磁电流分量， 为转矩电流分量。转矩电流 PI 调节器调整转矩电流，励磁电流 PI 调节器用于调整励磁电流。通常对于 PMSM 电机，励磁电流的给定值为 0, 如果需要弱磁， 励磁电流的给定值通常为负值。转矩电流的给定值通常为速度 PI 调节器的输出。速度 PI 调节 器根据速度给定及速度反馈来控制转矩电流 的大小，转矩电流 PI 调节器的输出 ，励磁电流 PI 调节器的输出 ，经过 Park 逆变换转换到两相定子坐标系( )，然后通过 SVPWM 模块， 输出到逆变器。 由 FOC 的原理可见，在磁场定向控制中，需要利用转子位置信息进行坐标变化。通常位 置信息可以通过转子位置传感器（增量式编码器等）获得。对于无传感器控制，位置信息需要 通过一定的算法进行估算。 3.2 转子位置估算 本参考方案中采用无传感器控制，通过转子磁链法估算转子位置信息，结构框图见 Figure 10。 设计指导手册 13 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 VDC 0 ωref + + - + Speed PI-controller - Id PI-controller Vd Iq PI-controller Vq θ Speed calculation V ej vector rotation Space Vector V Modulator CCU6 Angle Estimation Id -j Iq e vector rotation I I Current Calculation & 3 to 2 Iu Iv PMSM Figure 10 无传感器磁场定向控制框图 根据两相定子坐标系下的电压方程，得到转子磁链信息，电压方程如下： ； 为定子磁链， 以通过以下公式得到： ， 为转子磁链， 为电感电势。转子位置角 可 反正切运算 的实现有多种方法，在本方案中采用 PLL 形式实现，用户亦可利用 XC836M 的 CORDIC 模块进行相关运算。 注：在程序中位置估算部分以库函数形式提供。相关文件及函数见 Table 3。 Table 3 FOC.lib 库函数程序列表 文件 FOC_lib.h 相关函数 void SnlCAL(SNL_structure *p, int vol, int curt); void Pll(int iPLLINC, int iPLLVFILTER); void PllCompCal(int iSpdRef, int iPLLATAN); 库函数文件 FOC_lib.lib 3.3 注释 转子磁链估算 PLL 角度计算 PLL 补偿 SVPWM SVPWM 是磁场定向控制中常用的 PWM 调制方式。其原理如下：三相全桥电路中六个开 关管存在 8 种开关状态，在此定义为 8 个矢量（ - ），其中 6 个有效矢量( - )，2 个无 效矢量( , )，六个矢量与 a,b,c 坐标系 及 坐标系的关系如 Figure 11 所示。设计一个旋转 矢量 ，当 旋转时，在 a,b,c 坐标系上的投影 为正弦电压。控制 的幅值，频率 即可控制 的幅值及频率。将 坐标系分为六个扇区， 可以利用所在扇区的相邻两 个矢量进行合成。控制矢量的施加时间即可控制合成矢量的幅值、角度。 设计指导手册 14 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 b β V2 (110) V3 (010) Ⅱ Vαβ Ⅲ Ⅰ V0 (000) V4 (011) V1 (100) α a V7 (111) Ⅳ Ⅵ Ⅴ V5 (001) V6 (101) c SVPWM 示意图 Figure 11 详细的矢量合成方法，请参见英飞凌相关应用手册：AP16084(FOC of PMSM)。 在 SVPWM 的实现中，零矢量的分配对于最终 PWM 输出形式及运行效果有一定影响，常 见的为五段式及七段式 SVPWM，两种 SVPWM 的差别在于无效矢量施加的位置及时间不同。 具体比较见 Table 4。 SVPWM 零矢量差异 Table 4 七段式 SVPWM 五段式 SVPWM 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 ¼ t0 t1 t2 ¼ t0 V0 V1 V2 V7 Table 4 中，七段式 SVPWM 中 0 1 1 0 0 1 0 分别施加了 0 0 ½ t0 t1 t2 V0 V1 V2 , 而在五段式 SVPWM 中， 施加 ， 施加时间为 0，同时可以看出，对于七段式 SVPWM，一个 PWM 周期中开关管开关６ 次，而五段式 SVPWM 一个 PWM 周期中开关管仅开关 4 次，开关次数较少 1/3。因此五段式 SVPWM 开关损耗较小，在一些对开关损耗（效率）有要求的应用场合可以使用。 设计指导手册 15 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 在本方案中两种 SVPWM 均有实现，可通过“configure.h”中相应宏来选择。 Table 5 两种 SVPWM 对比 SVPWM 类型 五段式 SVPWM configure.h 宏定义 #define TWO_PHASE_SVPWM T (t t ) 代码实现 ta 1 2 七段式 SVPWM #define THREE_PHASE_SVPWM t a T (t1 t 2 ) 2 2 T (t t ) tc 1 2 2 2 tb t a t1 (扇区1、 3、 5) tb t a t 2 (扇区2、 4、 6) tc T tb t a t1 (扇区1、 3、 5) tb t a t 2 (扇区2、 4、 6) 波形图 Iu Iu U相端电压 U相端电压 从 Figure 5 中的 U 相端电压可以发现，在一个电流周期内，采用五段式 SVPWM 调制时， U 相功率管仅开关 240º，因此与七段 SVPWM 相比，开关损耗可以较少 1/3。 3.4 电流采样 从 FOC 的原理可以看出，FOC 首先需要准确的采样电机相电流信息( ， )，电机相电流 可以通过多种方法得到，如电流传感器或电阻形式电流采样。前者使用简单，但成本较高，后 者成本较低。通常有单直流母线电阻，及桥臂电阻电流采样。直流母线电阻采样仅需一个采样 电阻，但实现相对复杂，且需要灵活的 A/D 触发机制配合，同时还有采样死区的限制。在本方 案中使用了双桥臂电阻进行采样，实现简单。以全桥为例，原理如 Figure 12 所示。 VDC VDC ON OFF Iu L R L U V R U V Iu OFF Rs ON Rs Vs = -Iu * Rs + Vs Rs Rs - U_top ON, U_down OFF Figure 12 U_top OFF, U_down ON 母线电阻采样电流示意图 当下管开通时，流经下管（或续流二极管）的电流 I 等于相电流 。通过增加采样电阻， 即可采集到此电流信息。 两端电压 。为了采集三相电流，需要两个采样电阻 。 设计指导手册 16 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 为了能准确采样到此信息，需要在下管开通期间进行电流采样。通常 PWM 定时器工作为 中心对齐模式，因此最佳采样点为 PWM 定时器的过零点。在 XC836M 中可以通过 T12 定时 器的过零中断触发多通道模式，然后触发 A/D 的队列转换，依次采样并转换 ，见 Figure 13。 T12 周期匹配 过零匹配 I I u v Figure 13 A/D 采样触发点选择 3.5 启动控制 对于无传感器磁场定向控制，电机低速时，反电势比较小，位置估计误差较大，因此通常 以开环形式启动，当电机达到一定速度后，估算得到的转子位置比较准确，利用此信息可实现 位置闭环。本方案中启动过程为电流闭环、位置开环形式。 启动流程包括：初始定位，开环运行，闭环运行。流程图见 Figure 14。 Start No Openloop control Motor Start? Yes No Parking Speed over threshold? Yes Closedloop control No Parking Ready? Yes Figure 14 启动流程图 设计指导手册 17 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 3.5.1 初始定位 启动时，由于无法获得转子位置，直接运行的话，转子有可能反转，有启动失败的可能。 通常对转子进行预定位。通过施加固定角度的电流矢量，将转子吸引到某个固定位置，然后从 此位置进行开环启动。电流大小和负载特性相关。为了较少电流冲击，电流缓慢增加至给定值。 Figure 15 初始定位示意图 Start No Startup_Parking = 1? Iq_ref Fixed, Delay for fixed duration Yes Angle = Fixed Angle No Iq_ref < Iq_target? No Over time? Yes Yes Transit to Openloop Increase Iq_ref by Step every 0.4ms FOC End Figure 16 初始定位流程图 设计指导手册 18 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 3.5.2 开环运行 开环运行时，假定转子位置，通过磁场定向控制，驱动电机运行，并采用恒加速度形式进 行加速，当速度达到给定值以后，便可根据是否满足切换条件，切入闭环运行。 Hz Target_speed Init_speed s Figure 17 开环运行示意图及相电流波形 Start No Startup_OpenLoop = 1? Yes Speed < Target? Yes Increase Speed every 0.4ms No Angle += Speed Calculated Speed > threshold? 1 Yes No Prepare for Closed loop End Figure 18 开环运行流程图 3.5.3 开环闭环切换 当转速达到切换转速，且位置估算信息准确后，便可切入闭环运行。根据估算得到的转子 位置信息，进行位置闭环运行。由于开环运行时，磁场定向控制使用假定的位置角，而切换后 采用实时计算得到的转子位置角，因此切换前后会有角度差，如果直接切换，会造成电流畸变， 产生噪声，严重的时候会导致切换失败。在本方案中，采用平滑过渡，逐步减少切换角度差。 设计指导手册 19 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 算法设计 Real Rotor Angle PLL PLL Angle OpenLoop Angle open _ loop Expected Rotor Angle 角度误差 PLL Angle PLL Angle OpenLoop Angle OpenLoop Angle ClosedLoop Angle ClosedLoop Angle 直接切换 Figure 19 角度切换示意图 3.6 闭环控制 逐步切换 进入闭环控制后，根据估算得到的转子位置信息，进行磁场定向控制，同时速度环开始运 行，流程图见 Figure 20。 PMSM_FOC() (FOC.c) Start Iu,Iv Current Sampling Current PI Clark Transformation Inverse Park Transformation Park Transformation SVPWM Angle Estimation CCU6 update Speed PI Figure 20 设计指导手册 End 闭环控制流程 20 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 4 软件设计 4.1 XC836M 资源分配 4.1.1 电机控制单元 CCU6 CCU6 用于生成三相互补 PWM，集成硬件死区时间。支持应急关断，当外部 TRAP 信号 有效时，硬件封锁所有 PWM 输出，同时触发中断。 程序中 T12 工作于中心对称模式，频率 18KHz，用于互补 PWM 生成。T13 工作于单次触 发模式，用作定时器，444us 定时。由 T12 周期中断触发，周期中断中使能 T12 周期中断。 T12、T13 运行关系如 Figure 21 所示。 T12 55.5us 444us T13 T13中断 T12 中断处理程序 开启中断 关闭中断 Figure 21 T12, T13 运行关系图 中断资源分配： 1. T12 周期中断：主中断，执行电流信息采样，转子位置估算，FOC 运算等操作。 由于 XC836 运算能力的限制，所有运算需约 300us ~ 400us，单次中断无法完成所有计算。 具体实现中，当进入 T12 周期中断处理程序后，禁止 T12 周期中断产生，直至完成全部计算 工作。 2. T13 周期中断： 中断处理程序中重新使能 T12 周期中断 3. Trap 中断 置位保护标志，电机停止运行。 设计指导手册 21 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 4.1.2 A/D 通道及寄存器分配见 Table 6。 Table 6 A/D 通道及寄存器分配 通道号 7 6 5 4 3 2 1 0 信号说明 IU IV IDC VDC BEMF_V BEMF_U POT BEMF_W 结果寄存器 RES0 RES1 Not Used RES2 RES3 RES1 RES3 RES0 FOC 控制中，A/D 采样采用队列请求模式，不同控制阶段（初始化，启动，闭环控制）的 队列内容不同，见 Table 7。 Table 7 A/D 采样通道分配 工作模式 电流偏置采样 初始状态检测 空闲状态 其他工作状态 队列内容 AN7, AN6(refill) AN4, AN3, An2, AN0 (refill) AN4(Refill) AN7, AN6, AN4(refill) 磁场定向阶段阶段，A/D 队列转换请求由 T12 过零中断触发。由于 XC836 中 T12 过零事 件(T12ZM)无法直接触发 A/D，因此通过多通道模式（MCM）中断作为过渡，实际触发关系为： T12ZM 触发 MCM，MCM 触发 A/D，配置程序如下。 SFR_PAGE(_cc2, noSST); CCU6_MCMCTR = 0x03; SFR_PAGE(_cc0, noSST); CCU6_MCMOUTSL = 0xCF; SFR_PAGE(_ad4, noSST); ADC_ETRCR = 0x05; SFR_PAGE(_ad0, noSST); // switch to page 2 // transfer on T12 one match, SWSEL = 011 // direct transfer, SWSYN = 0 // switch to page 0 // switch to page 4 // load external trigger control register // switch to page 0 为了减少 CPU 负荷，利用 XC836M A/D 队列自动重载特性。当队列中转换的通道配置为 重载模式时，通道转换完成后，自动重新加载，等待下个触发事件的到来。初始化配置程序如 下： ADC_QINR0 ADC_QINR0 ADC_QINR0 ADC_QINR0 = = = = 0xA7; 0x26; 0x24; 0x21; // Ch3, triggered by T13 compare match, refill // Ch2, refill IV // Ch1, refill VDC // VSP - IU 配置完成后，A/D 运行无需软件介入，只需在转换完成后读取结果即可。 设计指导手册 22 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 4.1.3 CODRIC&MDU XC836M 中 CORDIC 与 MDU 工作频率设置为 48MHz，通过设置工作模式，实现不同的 计算功能，详细介绍请参考 XC836 用户手册“XC83x_um_V1_1.pdf” 1. MDU 通过配置 MDU_MDUCON 寄存器选择工作模式。 1) MDU_MDUCON MDU Control Register RMAP:0, PAGE:x (B1H) Reset Value: 00H 7 6 5 4 IE IR RSEL START OPCODE rw rwh rwrw rw rwh rw rw 参考 XC836 用户手册 1) 3 2 1 0 MDU 使用方法及例程 Table 8 模式 乘法 乘法 计算公式 unsigned 16-bit multiplication 例程 // Clark Transform MDU_MD0_16 = (Ialpha>>1) MDU_MD4_16 = 0x49E6; // MDU_MDUCON = 0x14; while(MDU_BSY==1); Ibeta = (MDU_MR2_16<<2); signed 16-bit multiplication // SVPWM MDU_MD4=CD_CORDZL; MDU_MD5=CD_CORDZH; MDU_MDUCON=0x10; while(MDU_BSY==1); guc_sector=MDU_MR2; sector_angle=MDU_MR1; + CurtPhB; 1/sqr(3) //i(A)/2 + i(B) //Sector //Angle 2. CORDIC： 通过配置 CD_CON 寄存器，来选择 CORDIC 工作模式。 1) CD_CON CODRIC Control Register RMAP:0, PAGE:x 7 6 MPS 1) rw rw 用户手册 参考 XC836 (A1H) Reset Value: 62H 5 4 3 2 1 0 X_USIGN ST_MODE ROTVEC MODE ST rw rw rw rw rw rwh 在程序中使用了三种工作模式，见 Table 9。 设计指导手册 23 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 Table 9 程序中 CORDIC 工作模式及例程 模式 circular Rotation mode 计算公式 例程 Park 逆变换 //Inverse Park CD_STATC=0; CD_CON=0x4A; CORDZ=rAngleNow; CORDY=VqRef; CORDX=VdRef; //Gain: 1.64676/2 while(CD_BSY==1); Vbeta=CORDY; Valpha=CORDX; SVPWM 幅值计算 CD_STATC=0; CD_CON=0x42; CORDZ=0; CORDY=Vbeta; CORDX=Valpha; circular vector mode //Gain: 1.64676/2 hyperbolic Vector mode 4.1.4 Table 10 定时器 定时器运行模式说明 定时器 T0 T1 T2 4.1.5 功能 3ms 定时，定时向上位机发送通讯数据 5ms 定时，通用定时器 5ms 定时，过压、欠压检测，调速命令输入 UART 用于与上位机监控软件通讯，工作模式：19200、8-N-1。 通讯协议采用修改过的 USPY 协议， (USPY 为英飞凌推出的测试用串行通讯工具)。协议 相关内容位于 USpyBench.c，在此不做详细介绍。 设计指导手册 24 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 4.1.6 Table 11 中断函数及优先级设置 中断分配 中断类型 T0 周期中断 T1 周期中断 T2 周期中断 UART 中断 T12 周期中断 T13 周期中断 TRAP 中断 函数名 void T01_viTmr0(void) void T01_viTmr1(void) void T2_viTmr2(void) void SHINT_viUARTIsr(void) void CC6_viNode0(void) void SHINT_viXINTR12Isr(void) void SHINT_viXINTR11Isr(void) 优先级 低 低 低 低 高 中 最高 各中断优先级配置，可从 DAVE 配置中查看。 Figure 22 DAVE 中断优先级配置界面 4.2 项目文件及程序说明 参考程序中主要项目文件说明见 Table 12。 Table 12 项目文件说明 文件名 main.c Shared_int.c CCU6.c T01.c T2.c VPICONTROLLER.c SVTAB.c ASM.c USpyBench.c FOC.c FOC_Lib.lib configure.h 说明 主程序 T13PM, TRAP 中断程序 T12PM 中断处理程序 T0, T1 周期中断处理程序 T2 周期中断处理程序 电流环、PLL PI 调节器 SVPWM 所需正弦表 速度环 PI 调节器 上位机通讯相关函数 FOC 控制相关函数 位置估算库函数 系统主要参数配置文件 Configure.h 中包含了一些重要的系统配置信息，如启动参数，位置估算参数等，详细参数 说明见“Configure_H_Parameters.xls” 设计指导手册 25 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 主要自定义程序说明见 Table 13。 自定义程序说明 Table 13 函数名 int PIi(PI_structure idata * p, int pi_ref, int pi_fdb) int PIp(PI_structure idata * p, int pi_err) int PI(PI_structure idata * p, int pi_ref, int pi_fdb) void SHINT_viUARTIsr(void) interrupt UARTINT void SP_USPYInit(void) void ADCurtOft(void) void InitPI(PI_structure idata * p,kpVal,kiVal,satVal) void SysInit() void MotorStart() void MotorStop() void SpdRefFresh() void SVPWM(void) void PMSM_FOC() void PARK_FWD_PerpInit(void) void StartupParaInit(void) void SnlCAL(SNL_structure *p, int vol, int curt); void Pll(int iPLLINC, int iPLLVFILTER); void PllCompCal(int iSpdRef, int iPLLATAN); 4.3 定标 4.3.1 定点小数 文件名 VPICONTROLLER.c VPICONTROLLER.c ASM.c USpyBench.c USpyBench.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC.c FOC_Lib.lib FOC_Lib.lib FOC_Lib.lib 功能说明 电流环 PI 调节器 PLL PI 调节器 速度环 PI 调节器 上位机通讯接收中断 上位机通讯参数初始化 电流采样偏置计算 PI 调节器初始化 控制参数初始化 电机启动 电机停止 速度指令更新 SVPWM 计算 FOC 计算 Park 初始化 启动参数初始化 位置估算 锁相环计算 锁相环补偿 由于常见的微控制器为定点类控制器，而在电机控制中为了实现控制精度，需要进行小数 运算，如果直接采用浮点小数形式的计算，则会消耗很大的运算资源，通常采用定点小数形式 进行小数计算。 定点小数即利用整数来实现小数运算，且小数点位置固定，但存储的时候还是以整数形式 存储。定点小数通常用 Q 格式来定义 ， N 代表小数点的位置。 则表明小数点在第 15 位。 Q 格式数据与其表示的小数关系如下： X b15k 215k b14k 214k ...b0 b1 21 b2 22 bk 2 k Q 格式数据表征的小数范围为： Qk : 215k ~ 215k 以 为例，其数据定义为： X b0 20 b1 21 b2 22 ... b15 215 , bx 0,1 所以 表征小数范围为 。举例：0.6453 对应的 Q15 格式数据为： 实际应用中 可以根据所表征的数据范围来确定 N 值。 定点小数的运算法则： 加减法： 乘除法： 设计指导手册 26 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 运算中常用到乘法，对于两个 格式数的乘法，直接相乘的结果为一个 的数据，为了 保证计算结果也为 格式数据，需要左移一位，然后取高 16 位。 例如：Z=A*B; A,B,Z 为 Q15 格式数据，则 Z=((A*B)<<1) >> 16; XC836M 中，利用 MDU 模块进行 乘法运算时，其中一种模式支持运算结果左移一位， 见 Table 14。 Table 14 MDU 工作模式 1) Operation Signed 16-bit x 16-bit with single left shift 1) Result 32-bit 参考 XC836 用户手册 4.3.2 标幺处理 在 FOC 控制中，需要用到电压、电流、定子电阻、电感等信息，而这些信息是有量纲的， 为了保证控制精度并方便计算，通常进行标幺处理。标幺化即将物理量通过实际物理值与其基 准值的比值来表示。 （X 实际物理量， 为基值， 标幺值通常以 Q 格式数据表示， 举例： 电流：I=0.5A, =2A， 为标幺值） ，K 为数据长度。 格式标幺值为： I=(-1)A 时，对应的标幺值为： 方案中的标幺处理如下 1. 电流基值 例如，在 d、q 坐标系中，开环电流 为 #define OPENLOOP_NOR_IQ_INIT 0x0F00 则对应的物理值为 ，通过示波器测量得到实际电流 的峰值为 0.413A，与期望值相同。 设计指导手册 27 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 Figure 23 开环电流波形 2. 电压基值 3. 速度基值 可通过" FOC Para v1.0.exe" 设定，默认值 1500RPM，因此程序中用到的速度指令与实际 物理量之间的关系为： 例如 configure.h 中 #define SPD_400RPM 对应计算过程为： 设计指导手册 0x2222 // 400RPM 28 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 软件设计 程序流程图 4.4 Main.c 程序流程图见 Figure 24。 Main.c Motor control parameter initialization Start Chip Initialization Figure 24 Current offset calculation Enable MDU,CORDIC Wire broken detection Enable Trap protection Main While 主程序流程图 PMSM_FOC()程序流程见 Figure 25。 PMSM_FOC() Start Read Ia，Ib A/D Result Clark Transformation Parking Finished? Yes Openloop finished No Parking Yes No Openloop ClosedLoop Yes Yes Transition Done? Speed Reference update No Overload protection Angle Transition End Figure 25 Iq, Id Current PI SVPWM Speed PI Inversed Park Transformation PMSM_FOC()流程图 设计指导手册 29 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 方案测试 5 方案测试 5.1 测试条件 实际测试用直流无刷风机：额定电压 310V，额定功率：40W, 额定电流：0.17A, 相电阻： 27.5ohm，相电感：150mH。额定转速：800RPM。示波器型号：Agilent MSO6054A。 5.1.1 硬件连接 由于本文档介绍的硬件电路仅集成 MCU，逆变电路，驱动电路。实际使用时需要连接包含 整流滤波电路，辅助电源，外部通讯（RS232）接口。连接示意图见 Figure 1。 程序下载可以通过串行口或 DAP Miniwiggler，注意下载时请断开 220V 交流输入，额外给 系统供 15V 以驱动 XC836M，进行程序下载，接口板原理图可参考附件中 AdaptBoard 部分。 5.2 测试方法 通过隔离 RS232 与上位机通讯，通过上位机控制电机的启动、停止，同时可以通过上 位机示波器功能观测一些关键变量（电流，速度等），电机转速 800RPM。注意：如果需要使 用 DAP miniwiggler 进行程序调试，系统勿连接 310VDC。 5.3 测试结果 上位机控制界面如下，串行口设置：19200，8-N-1。 Figure 26 上位机程序程序界面 通过示波器功能可以观测目标板上的内部运行参数。电机运行不同阶段电流波形见 Figure 27。 设计指导手册 30 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 方案测试 初始定位电流波形 开环运行与闭环切换电流波形 闭环运行(800RPM)电流波形 上位机“示波器”监控电机启动过程 注：绿色信号为速度给定，紫色信号为实际速度，红色信号 为转矩电流 。 Figure 27 各阶段运行电流波形图 设计指导手册 31 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 开发指南 开发指南 6 由于不同应用中电机规格不同、负载类型不同，因此在进行项目开发时，需要根据实际应 用条件调整电机参数，使用本参考方案进行项目开发的流程如 Figure 28。 开始 手动修改启动参数 及运行参数 电机参数、运行 参数确认 硬件电路检查 硬件电路参数修改 No 编译、下载 硬件参数 满足应需求？ 上位机监控软件配置 Yes NO 运行参数计算及更新 “FOC Para v1.0.exe’ “Configure.h” 系统上电、运行 达到运行指标 Yes 完成 Figure 28 开发流程图 6.1 参数确认 方案中用到的参数及确认方法如下： 电机额定电压，电流，额定转速 可从电机铭牌得知。 电机极对数 可从电机铭牌得知，或利用示波器测量得知。 定子电阻 相电阻值，可以利用万用表电阻档测量电机两相线之间的电阻值(线电阻)，线电阻除以 2 即为相电阻。 定子电感 Ld、Lq 可利用 LCR 表测量两相之间的电感值，频率 1KHz, 旋转电机转子，测量最大与最小值。 Lq = 最大值/2，ld = 最小值/2。对于常见的表面磁钢电机，Ld = Lq，本例程中使用的电机 Ld = Lq = 150mH。 6.2 硬件电路参数修改 需要根据电机的额定参数修改以下参数： 直流母线电压值 根据电机额定电压选择选择 CN1 的 VDC 输入值。 设计指导手册 32 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 开发指南 采样电阻及电流放大倍数 参考 2.5 章节的介绍，根据电机额定电流、运算放大器最大输出电压选择相应的电流采样 电阻 R37、R38，及放大电路参数：R43、R44、R45、R46、R20、R21、R22、R23。 运行参数计算及更新 6.3 首先根据电机电阻、电感、母线电压、额定转速等信息，输入“FOC Para v1.0.exe”计算 相关参数。计算界面如 Figure 29。 Figure 29 参数计算界面 相关输入参数，具体说明如下： 1. 电机参数 电机极对数 定子电阻 定子电感 Ld、Lq 2. 功率板参数 直流母线电压 采样电阻 电流放大倍数 开关频率 根据实际需要修改，注意此处使用 18KHz，注意如需修改开关频率，需要修改项 目对应的 Dave 文件，重新生成 CCU6 的初始化参数。 3. Sensorless 参数 电流环计算时间 固定使用 0.000 444s，请勿修改。 4. PLL 参数 速度基值 根据电机运行的转速范围确定，需大于等于最大转速。 PLL 计算周期 固定使用 0.000 444s，请勿修改。 5. 其他参数 R_SCALE 设计指导手册 33 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 开发指南 输出参数 RSCL 的缩小比例，如果计算得的 RSCL 大于 0x7FFF，软件会提示错 误，请适当增大此参数。 L_SCALE 输出参数 LSCL 的缩小比例，如果计算得的 RSCL 大于 0x7FFF，软件会提示错 误，请适当增大此参数。 输入相关参数后，点击“计算”，得到计算结果，如 Figure 30 所示。 Figure 30 计算结果界面 “FOC Para v1.0.exe”输出参数与 Configure.h 中对应参数关系见 Table 15。 Table 15 参数关系表 configure.h SNL_R SNL_F SNL_U SNL_L SNL_R_SCALE SNL_L_SCALE PIpKP PIpKI PLLINC PLLVFITLER PLLATAN SVConst PIiKPD PIiKID PIiKPQ PIiKIQ 设计指导手册 FOC Para v1.0.exe RSCL FSCL USCL LSCL RSCL_SCALE LSCL_SCALE PLL_Kp PLL_Ki PLL_INC PLL_Filter PLL_ATAN SV_CONST KP_ID KI_IQ_ID KP_IQ KI_IQ_ID 34 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 开发指南 6.4 启动参数调整 由于电机参数、负载特性的不同，需要手动修改 configure.h 中的启动相关参数，以使系统 可靠启动，顺利切入闭环。修改的参数包括： 6.4.1 初始定位参数 根据 Figure 15 所示，初始定位阶段需要调整的参数与”configure.h”中参数关系如 Table 16 所示。 Table 16 初始定位参数对应表 初始定位参数 Iq_Init “configure.h”中对应参数 PARK_IQ_INIT Iq_Target PARK_IQ_TGT t1 PARK_IQ_INC t2 PARK_NOR_DURATION 6.4.2 对应关系 开环运行参数 根据 Figure 17 所示，开环运行阶段，对应的参数有电流指令及速度指令需要调整的参数 与”configure.h”中参数关系如 Table 17 所示。 Table 17 开环参数对应表 开环运行参数 Init_speed “configure.h”中对应参数 对应关系 OPENLOOP_NOR_ANGINC_INIT Target_speed OPENLOOP_NOR_ANGINC_TGT 加速度参数１ 加速度参数２ OPENLOOP_NOR_ANGINC_STE P OPENLOOP_NOR_DURATION 开环电流 Iq OPENLOOP_NOR_IQ_INIT 设计指导手册 35 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 开发指南 6.4.3 开环闭环切换参数 切入闭环阶段，需要调整的参数与”configure.h”中参数关系如 Table 18 所示。 Table 18 切入闭环阶段参数对应表 运行参数 “configure.h”中对应参数 对应关系 闭环 Iq 初始值 CLOSEDLOOP_NOR_SPD_LOOP _IQ_INIT 角 度 差 切 换 速 ANGLE_TRANSITION_STEP 度 SPDFOC_OPEN_TO_CLOSED 速度阈值 6.5 Table 19 闭环运行参数调整 闭环运行参数对应表 闭环运行参数 闭环加速度１ “configure.h”中对应参数 SPD_REF_INC_1 闭环加速度 2 SPD_REF_INC_2 对应关系 默认闭环运行速度 STUPCLDSPD_DEFAULT 6.6 保护参数调整 根据电压、电流采样电路参数及系统保护需求，利用“Protection.xls”计算过流、过压、 欠压保护值，并修改“configure.h”中相关参数 Table 20 保护相关参数对应表 “Protection.xls”参数 OV_Voltage_HEX “configure.h”参数 HIGHVoltage UV_Voltage_HEX LOWVoltage Over Current Hex HIGHCurt 6.7 程序编译及下载 利用 Keil 进行编译，编译成功后，可以在 Keil 环境中利用 DAP-Miniwiggler 进行下载，亦 可利用 Fload 通过串行口下载程序。XC836 下载时需要配置 BMI 参数。关于 BMI，在此不详 细介绍，详见 XC836 用户手册及相关应用手册（AP0810810）。 特别注意：下载时，系统请勿连接 310V VDC，请使用外部 15 V 供电 设计指导手册 36 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 开发指南 6.8 运行 按照 Figure 1 进行系统连接，请注意需要使用 RS232 隔离器进行通讯隔离。运行“ Fan GUI v2.exe”，操作流程见 Table 21。 Table 21 上位机操作示意图 Steps Step1: 打开运行界面，点击串口配置。 如打开程序出现错误，请参考附 件“OCX Registration”安装相关 控件 操作界面 串口配置 连接 1 2 step2: 电机连接，成功连接后界面 step3: 打开“示波器功能” 点击相关按钮,调整时间轴及信号 幅值 设计指导手册 37 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 开发指南 Step4： 返回“系统状态”界面，点 击”start”，电机开始运行，并通 过“示波器功能”观察现相关参 数 6.9 参数调试 根据不同的电机特性，需要相关启动、运行参数以保证可靠切入闭环。 电流闭环参数调整 首先要保证电流闭环参数正确，如果系统硬件没有问题，且程序中使用了’” FOC Para v1.0.exe”计算的得到的参数，应该可以很好的电流闭环。可通过检查初始定位阶段的相电流来 确认电流是否闭环。如果电流闭环成功，则初始定位阶段相电流会按照设计的变化曲线变化， 参考 Table 22，否则需修改硬件参数或查看电流环参数是否正确，排除原因。 Table 22 理想电流闭环示意图 期望电流 实际相电流 开环参数调整 调整开环参数，使电机能顺利启动，进入开环运行，如果负载比较大，则适当增加开环电 流 OPENLOOP_NOR_IQ_INIT，并减小加速度。 闭环切入参数调整 选择适当的切入闭环速度 SPDFOC_OPEN_TO_CLOSED，及切入后的电流 初值CLOSEDLOOP_NOR_SPD_LOOP_IQ_INIT。 如果切入闭环失败，可修改切入闭环速度阈值 SPDFOC_OPEN_TO_CLOSED 及切换角 度步长 ANGLE_TRANSITION_STEP。使电机能达到足够的转速以切入闭环。 闭环参数调整 切入闭环后，根据应用需求修改速度环参数 及速度指令。 设计指导手册 38 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 附件 7 附件 7.1 MCU 部分原理图 1 2 3 4 IC1 A P2_0 P2_1 P2_2 P2_3 P2_4 P2_5 P2_6 P2_7 AN0 AN2 AN3 AN4 AN5 AN6 AN7 8 7 6 5 4 3 2 1 AN0/P2.0 AN1/P2.1 AN2/P2.2 AN3/P2.3 AN4/P2.4 AN5/P2.5 AN6/P2.6 AN7/P2.7 P3.0 P3.1 SPD_0/P3.2 LEDs LD1 COUT60/P1.0 CC60/P1.1 COUT61/P1.2 CC61/P1.3 COUT62/P1.4 CC62/P1.5 +5V 12 A 26 P3_0 25 P3_1 27 SPD_0 VDDP 16 15 14 13 19 20 LED Red LD2 LED Green P0.0 P0.1 P0.2 CTRAP_0/P0.3 CTRAP_1/P0.4 RXD_0/P0.5 TXD_0/P0.6 P0.7 VSSP/VSSC B C2 0.1uF/25V 18 VDDC 21 22 23 24 11 10 9 28 P0_1 P0_2 P0_4 RXD_0 TXD_0 P0_7 +5V R2 P3_1 C1 0.1uF/25V 17 R1 1K5/0.1W P3_0 COUT60 CC60 COUT61 CC61 COUT62 CC62 1K5/0.1W DRIVER_EN B CTRAP SAF-XC836MT-2FRI JP1 TXD_0 RXD_0 SPD_0 POT_IN 6 5 4 3 2 1 Analog Input +5V +5V Header 6 C C C3 0.1uF/25V JP2 P0_1 P0_2 P0_4 P0_7 6 5 4 3 2 1 POT_IN R3 10R/0.1W P2_1 C4 47PF/25V L1 AGND 47uH +5V Header 6 2011-06-15 Change to 0Ohm resistor Title D Size D Number Revision A Date: File: 1 Figure 31 2 3 9/21/2012 C:\Users\..\MCU.SCH Sheet of Drawn By : 4 MCU 部分原理图 设计指导手册 39 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 附件 逆变电路原理图 7.2 1 2 3 A 4 5 +5V 6 A DC+ R5 +15V 10R P ower Supply R6 10K +5V R7 10K R8 10K R9 10K R10 10K R11 10K D1 US1J D2 US1J D3 US1J IC2 UH UL VH VL WH WL R34 1K5 CN1 +15V 1 2 3 1 2 3 LD3 Green DC+ 2 5 3 6 4 7 HIN1 LIN1 HIN2 LIN2 HIN3 LIN3 VB1 28 R29 VHi 22R 22R Q1 IKD04N60R R12 10K WHi Q2 IKD04N60R R13 10K R30 22R Q3 IKD04N60R R14 10K C9 1uF +5V MSTB 2.5-5.08 R28 UHi VS1 CN2 U V W 26 U 3 2 1 3 2 1 MSTB 2.5-5.08 R15 10K 8 C10 1uF VS2 2 C13 10uF/16V R31 ULo FAULT 1K C12 0.01uF/25V 3 COM R36 9 VB3 10 11 C19 0.01uF R37 0R22/1W/1% RCIN HO1 HO2 HO3 B R39 0R22/1W/1% 27 UHi 23 VHi 19 WHi R40 200K 1 LO1 LO2 LO3 VCC 16 ULo 15 VLo 14 WLo C urrent M eas urement R43 4 +2.5V 39K R21 10K I-V VSS COM 3 1 1 12 U-DC R44 +2.5V C16 0.1uF 13 COM COM 6ED003L06-F U1A LM358AD R50 2 I-U IV 100R R23 10K C21 COM 47PF 8 +15V 39K R20 5 10K 7 U1B LM358AD R49 6 C20 47PF 10K R45 R46 C5 47PF/25V 39K BE M F for Revers e D etec tion 39K R47 4 +2.5V 510K 39K BEMF_W COM R60 8K2 6 8 M ic roC ontroller I nterfac e DRIVER_EN COUT60 CC60 COUT61 CC61 COUT62 CC62 CTRAP IU IV IDC UDC R57 510K 510K BEMF_V R61 8K2 C7 47PF/25V +5V R58 R59 510K 510K C25 0.33uF BEMF_U R62 8K2 10K 3 1 2 U2A LM358AD R52 100R UDC C23 47PF C +15V R27 R63 39K 10K 0R IC6 3 U AN7 AN6 AN5 AN4 R56 R25 C22 47PF R48 I GND V UL UH VL VH WL WH /FO LD1117AS25TR 1 DRIVER_EN AN2 AN3 AN0 U-DC IDC 100R R26 10K C MCU MCU.SchDoc U2B LM358AD R51 7 5 R24 10K C6 47PF/25V 8 R55 510K 2 R54 1 W BEMF_U BEMF_V BEMF_W IU 100R R22 4 C24 1uF/25V R38 0R22/1W/1% EN V D C I nput +15V R53 8K2/0.1W/1% Q6 IKD04N60R R18 10K COM 18 W R41 510K/0.25W/1% R4 10R/0.1W 22R C11 1uF VS3 R19 10K R33 I-V ITRIP C15 0.1uF DRIVER_EN Q5 IKD04N60R R17 10K 20 510R R42 510K/0.25W/1% WLo 22R Q4 IKD04N60R R16 10K I-U C14 0.1uF B DC+ R32 VLo 22R 22 V 4 VOut 8 +5V GND VIn 2 1 R35 /FO IC3 L7805CV +15V VB2 24 Q1 Q2 2 4 +2.5V +15V C26 0.22uF +15V C17 0.1uF C18 0.1uF C8 47PF/25V D D Title Size Number Revision C Date: File: 1 Figure 32 2 3 4 5 9/21/2012 C:\Users\..\Power.SchDoc Sheet of Drawn By : 6 逆变电路原理图 设计指导手册 40 V1.0, 2012-10 基于英飞凌 XC836M 的直流无刷电机无传感器磁场定向控制参考设计 AP98001 附件 XC836Minikit 原理图 7.3 1 2 3 4 5 6 7 8 VDDP IC1 AN0/P2.0 AN1/P2.1 AN2/P2.2 AN3/P2.3 AN4/P2.4 AN5/P2.5 AN6/P2.6 AN7/P2.7 12 VDDP 26 P3.0 25 P3.1 27 P3.2 P3.0 P3.1 P3.2 A P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 VDDP 16 15 14 13 19 20 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 21 22 23 24 11 10 9 28 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 C6 1uF/50V VDDP 16 A 8 7 6 5 4 3 2 1 P2.3 R1 20K 1 C1 0.1uF/16V 17 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 VSSP/VSSC C3 0.33uF/16V VDDC VDDC 18 VDDC C1+ C2 0.1uF/16V IC2 MAX232CSE V+ V CC P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 2 C4 1uF/50V C7 1uF/50V JP1F P3.2 3 JP1E P0.7 C1- 4 V- 6 C2+ D1 BAS70-05 SAF-XC836MT-2FRI C5 1uF/50V JP1D CN1 P3.2 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P0.6 P0.5 P0.4 VDDP P1.3 P1.2 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 X1 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Header 14 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P0.7 P3.2 P3.0 P3.1 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 P1.5 P1.4 VDDC R13 5K1/0.1W R14 1K5/0.1W 1K5/0.1W R17 1K5/0.1W VDDP R18 CN2 8 /RESET R2 10 1K/0.1W DAP0 VREF 1 1K5/0.1W DAP1 USER0 KEY USER1 GND GND GND RESET T2OUT R2IN 14 13 7 8 10 B 11 DB9/PCB LD2 JP3 VDDP R16 6 T1OUT R1IN VDDP P1.0 P1.1 Header 14 C 2 T2IN R2OUT JP1A 1K5/0.1W 4 T1IN R1OUT R12 5K1/0.1W R15 P3.2 10 9 1 6 2 7 3 8 4 9 5 C2- 15 X2 11 12 JP1B GND 5 JP1C P2.7 B R19 7 1K5/0.1W 3 5 9 R20 FTSH-105-01-L-DV-K 1K5/0.1W R21 1K5/0.1W D P0.0 LED Green LD3 P0.1 VDDP LED Green LD4 T1 BSS215P VCC CN3A VDDP B2B-EH P0.2 C R7 10K/0.1W LED Green LD5 P0.3 R8 22K/0.1W R9 1K5/0.1W LED Green LD6 P0.4 C9 0.1uF/25V R10 43K/0.1W LED Green LD7 /RESET T2 BCR148 P0.5 LED Green LD8 LD1 LED Red R11 47K/0.1W SW1 Push Button C8 0.22uF/16V P0.6 CN3B LED Green LD9 GND B2B-EH P0.7 LED Green D Title XC836MT Minimum System Size Number Revision V1.0 A3 Date: File: 1 2 Figure 33 XC836Minikit 原理图 7.4 参考代码 3 4 5 6 9/21/2012 Sheet of C:\Users\..\MiniKit_XC836MT_V1_0.SchDoc Drawn By : 7 8 本设计手册对应的参考代码请见与本文档对应的样例程序。 设计指导手册 41 V1.0, 2012-10 w w w . i n f i n e o n . c o m Published by Infineon Technologies AG