世平基於 旗芯微 FC4150 的車載電空調壓縮機應用方案

 

      大聯大世平集團針對新能源車載高壓無刷電機，推出基於旗芯微 FC4150 的車載電空調壓縮機驅動方案。此方案應用在新能源 400V 電壓平台，開發板搭載的主要器件有 Flagchip 的MCU FC4150，NXP 的汽車安全系統基礎晶片( SBC )，安森美的 IPM 模塊，聖邦微的車規級運放等。可以用作驅動壓縮機、水泵、冷卻風扇等車載輔助電機，符合 ASIL B 功能安全等級。

硬體設計說明: 

1. 主控

       採用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A，使用高性能的 ARM Cortex-M4 為內核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達 150 MHz，內置高速存儲器，豐富的 I/O 埠和多種外設。

FC4150F512BS1P64T1A 框圖如下圖所示：

2. IPM

       電機驅動部分，方案採用集成預驅與 6 顆 IGBT 管的 IPM 來做電機的電子換相控制。晶片採用的是 Onsemi 的 NFVA35065L32-D。NFVA35065L32-D 內置 3 個高速半橋高壓柵極驅動電路，集成了（650V/50A）低損耗的 IGBT 管，最大支持 20Khz 的 PWM，死區最小時間為 2us，還提供多個模塊保護功能，包括欠電壓鎖定、過電流鎖定、驅動與集成電路的溫度監測和故障報告等，為汽車電機應用提供了一個全功能、高性能的逆變器。

NFVA35065L32-D 框圖如下圖所示：

3. 電源設計

       低壓電源供電部分，採用了一顆帶有功能安全的電源管理晶片，它是 恩智浦 的 FS2600 ，FS2600 具有多個 BUCK 、BOOST 輸出以及 LDO 穩壓器，可為 MCU、SENSOR、外設 IC 和通信接口供電。FS2600B 的監控診斷包括喚醒輸入、看門狗、復位、中斷，以及對電路診斷後的失效輸出等，這顆 FS2600 & FC4150 通過 SPI 通信，在系統運行時提供潛在的故障監測輸出，以提供增強的安全特性。

FS2600B框圖如下圖所示：

4.OPA

運算放大器部分，方案採用聖邦威的車規級 SGM8557H-1AQ 來對 IPM 的底邊管進行電流採樣。SGM8557H-1AQ 的其特點如下：

• 輸入電壓 2.7V-5.5V
• 輸出驅動能力高達 230mA
• 軌至軌輸出
• 輸入偏置電壓 15uV
• 15MHz 的增益帶寬和 7.5V/us 的壓擺率
• AEC-Q100 1 級認證

 

方案原理圖：

1.MCU 板

 

 

2.高壓電機驅動板

 

 

PCB Layout：

1.MCU 板

 

        2.高壓電機驅動板

軟體設計說明: 

       方案軟體部分採用世平 Sensorless FOC 雙電阻採樣的軟體庫架構，通過板載電位器使電機旋轉。軟體採用雙環控制（電流環+速度環），矢量控制的框圖如下圖所示：

 

1. SVM

       空間矢量脈寬調製（SVM）是 FOC 的基礎，是根據其所在扇區選擇非零矢量與零矢量合成而成，有五段式、七段式、混合式。七段式開關次數較多，但諧波較小；五段式開關次數是七段式的一半，但諧波較大，代碼採用的是七段式。其實現流程大致如下：

① 判斷合成矢量所在扇區

② 計算相鄰矢量作用時間

③ 計算各橋臂導通時間

④ 得到各相PWM占空比

⑤ 更新相應寄存器值

2. Current Sensing

      在電流環，軟體中的電流採樣選擇雙電阻採樣，通過採樣 V 和 W 相的下橋臂電阻上的壓降，再用基爾霍夫電流定律計算第三相（U 相）的電流。

3. FC4150 外設間的相互配合

        在 FOC 控制中 FTU 需要產生中心對齊的 PWM 信號，在重新裝載計數值時，FTU 支持產生重新裝載的觸發信號用於通知 2 個 PTIMER 開始計時，當 PTIMER 計時到 PWM 的中心點時，PTIMER 產生觸發信號通知 ADC 進行採樣，採樣完成後發生 ADC 中斷得到三相電流，FOC 算法函數開始計算下一周期各個通道的 PWM 占空比，從而完成對電機的磁場定向控制。

 
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作者：Better/ 楊琰傑