基于旗芯微FC4150的車(chē)載電空調壓縮機應用方案
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大聯(lián)大世平集團針對新能源車(chē)載高壓無(wú)刷電機，推出基于旗芯微 FC4150 的車(chē)載電空調壓縮機驅動(dòng)方案。此方案應用在新能源 400V 電壓平臺，開(kāi)發(fā)板搭載的主要器件有 Flagchip 的MCU FC4150，NXP 的汽車(chē)安全系統基礎芯片( SBC )，安森美的 IPM 模塊，圣邦微的車(chē)規級運放等?？梢杂米黩寗?dòng)壓縮機、水泵、冷卻風(fēng)扇等車(chē)載輔助電機，符合 ASIL B 功能安全等級。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202503/468599.htm
硬件設計說(shuō)明:
主控
采用的是旗芯微 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 端口和多種外設。
FC4150F512BS1P64T1A 框圖如下圖所示：
IPM
電機驅動(dòng)部分，方案采用集成預驅與 6 顆 IGBT 管的 IPM 來(lái)做電機的電子換相控制。芯片采用的是 Onsemi 的 NFVA35065L32-D。NFVA35065L32-D 內置 3 個(gè)高速半橋高壓柵極驅動(dòng)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(shí)間為 2us，還提供多個(gè)模塊保護功能，包括欠電壓鎖定、過(guò)電流鎖定、驅動(dòng)與集成電路的溫度監測和故障報告等，為汽車(chē)電機應用提供了一個(gè)全功能、高性能的逆變器。
NFVA35065L32-D 框圖如下圖所示：
電源設計
低壓電源供電部分，采用了一顆帶有功能安全的電源管理芯片，它是 恩智浦 的 FS2600 ，FS2600 具有多個(gè) 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(mén)狗、復位、中斷，以及對電路診斷后的失效輸出等，這顆 FS2600 & FC4150 通過(guò) SPI 通信，在系統運行時(shí)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，方案采用圣邦威的車(chē)規級 SGM8557H-1AQ 來(lái)對 IPM 的底邊管進(jìn)行電流采樣。SGM8557H-1AQ 的其特點(diǎn)如下：
輸入電壓 2.7V-5.5V
輸出驅動(dòng)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(dòng)板
PCB Layout：
1.MCU 板
2.高壓電機驅動(dòng)板
軟件設計說(shuō)明:
方案軟件部分采用世平 Sensorless FOC 雙電阻采樣的軟件庫架構，通過(guò)板載電位器使電機旋轉。軟件采用雙環(huán)控制（電流環(huán)+速度環(huán)），矢量控制的框圖如下圖所示：
SVM
空間矢量脈寬調制（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(kāi)關(guān)次數較多，但諧波較??；五段式開(kāi)關(guān)次數是七段式的一半，但諧波較大，代碼采用的是七段式。其實(shí)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(shí)間
③ 計算各橋臂導通時(shí)間
④ 得到各相PWM占空比
⑤ 更新相應寄存器值
Current Sensing
在電流環(huán)，軟件中的電流采樣選擇雙電阻采樣，通過(guò)采樣 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(chǎn)生中心對齊的 PWM 信號，在重新裝載計數值時(shí)，FTU 支持產(chǎn)生重新裝載的觸發(fā)信號用于通知 2 個(gè) PTIMER 開(kāi)始計時(shí)，當 PTIMER 計時(shí)到 PWM 的中心點(diǎn)時(shí)，PTIMER 產(chǎn)生觸發(fā)信號通知 ADC 進(jìn)行采樣，采樣完成后發(fā)生 ADC 中斷得到三相電流，FOC 算法函數開(kāi)始計算下一周期各個(gè)通道的 PWM 占空比，從而完成對電機的磁場(chǎng)定向控制。
?場(chǎng)景應用圖
?展示板照片
?方案方塊圖
?核心技術(shù)優(yōu)勢
1. MCU 內核是 ARM Cortex-M4，主頻 150MHZ，內置 96MH 高速振蕩器，512KBFlash，128KB SRAM，12-bit ADC with 1MSPS 2.使用 Cache & FPU 運算，FOC 算法在 10us 內可以處理完畢，極大減少 MCU 的資源使用 3.使用 IPM 內置比較器做過(guò)電流保護 4. IPM 內置 650V/50A 的IGBT，滿(mǎn)足壓縮機大功率應用并保留冗余 5. 使用 FS2600 SBC 增強系統安全冗余
?方案規格
1. 輸入電壓范圍: 310VDC~450VDC 2. MCU: ARM Cortex-M4 32-bit 內核，主頻高達 150MHz ，ASIL-B 功能安全等級 3. 支持 CAN 通訊 4. 支持 2 Shunt R 三相電流采樣 5. 支持 BEMF 電壓回授 ADC 采樣 6. 支持過(guò)壓鉗位防護 7. 板載電位器支持速度調節 8. 具備 LED 指示燈 & 按鍵 9. 開(kāi)發(fā)板尺寸 : MCU 板 80 * 70 mm ，電機驅動(dòng)板 170 * 150 mm
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