短短一天完成无刷直流电机控制装置的开发!

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适用于汽车系统12V无刷直流电机的应用套件

目前,越来越多的汽车系统的水泵、汽油泵/机油泵、风扇和空调系统开始采用电机驱动。与采用强大控制算法的优化微控制器结合使用,无刷直流电机可提供十分高效的解决方案。对于无刷直流电机而言,包括磁场定向控制(FOC)在内的多种控制方案可供选择。不过,迄今为止,现代化的高效电机控制装置的实现仍然极其耗时。得益于全新的应用套件,如今,英飞凌可确保在短短一天内完成整个电机控制装置的开发,而以往这常常需要花上几周的时间。

更高的能效、更出色的动态性能和更低的运行噪声如今已成为电机驱动的重要设计要求。鉴于此,越来越多的汽车电子装置驱动开始采用磁场定向控制等先进的控制概念。而这些创新控制概念的有效实现需要优化的微控制器架构和易用工具。英飞凌推出全面的应用套件组合,具备面向电机驱动的可扩展参考设计。这些套件囊括了所有适用于即插即用型设计的相关硬件和软件组件。这些完整的解决方案包含微控制器、功率半导体和无源组件以及硬件设计建议等相关技术文档。此外,该应用套件还包含参考软件和完整的时实测试环境。

磁场定向控制

采用FOC可降低电机的功耗和运行噪声,并能改进其动态性能,从而确保其能效高达95%。反过来,这也有助于改进变频器的能效,同时确保在电机转速不变的情况下,缩小功率级和电机的尺寸。FOC算法不受时间和速度的影响,因此可确保直接地独立控制磁流量和转矩。通过采用数学方法,将电机状态转换成不受时间影响的旋转坐标即可实现。相应的数学公式被称为Clarke和Park转换。FOC既适用于交流感应电机也适用于无刷直流电机。

汽车无刷直流电机驱动套件
采用这种全新的开发套件(图1),设计人员能够快速开发出适用于无刷直流电机三相变频器高效控制的可扩展解决方案。该应用套件以两个高效的汽车微控制器为基础。这两个微控制器分别为8位MCU XC886 和16位 MCU XC2236N,均支持传感器驱动和无传感器控制概念。高度集成的全新B6桥驱动器TLE7184F可用作6个N沟道MOSFET的接口。除了完整的驱动级,这种新驱动IC还包含其他先进的保护功能——有助于最大限度减少外置组件的数量。

图1:英飞凌全新的汽车无刷直流电机驱动套件包含快速轻松开发适用于汽车系统的高效电机控制装置所需的全部硬件和软件。
套件包括:
-    TLE 7184F电源板(12 V...24 V/20 A)
-    无刷直流/永磁同步电机
-    交流/直流电源(12 V/2 A)
-    配备XC886的驱动卡
-    配备XC2236N的驱动卡
-    USB驱动监视器
-    存储软件和相关文档的CD-ROM
-    连接具体客户电机的电缆和连接器

该应用电路由配备XC886或XC2238N的几个驱动卡、一个三相变频器和无刷直流电机构成。这个三相变频器采用了英飞凌针对汽车电子装置设计的N沟道MOSFET和电压控制器(图2)。微控制器与功率级通过TLE7184F桥驱动器实现连接。来自英飞凌三相桥驱动器系列的这种新型IC可驱动高达6个外置N沟道MOSFET。除了诊断和保护功能外,可配置的空载时间和短路阈值等其他更广泛的功能带来了多种实用特性,可大幅减少所需外置器件的数量。此外,它们还可确保系统的高度可靠性。为防止出现极性反转情况,系统还集成了另一个P沟道MOSFET IPD90P03。它可顺利驱动电压为12V至24V(高达20A)的无刷直流电机和客户采用的电机。


图2:配置驱动卡、变频器(带TLE7184F桥驱动器)和电机的应用电路原理图。
该套件还包含具备优化电机控制软件和实时监控工具(数字隔离)的完整软件套件。 此外,该套件还包含免费开发工具和采用SDCC编译器和调试器的完整设计环境(IDE)。利用这种电机控制软件,能够快速轻松地配置电机的多个参数。

该软件包含适用于无刷直流电机的无传感器磁场定向控制的优化源代码。此外,软件针对电感电机(ACIM)支持V/f控制,方便快速进行评估。DriveMonitor确保能够实时检索和修改控制参数,示波器功能可以图形方式显示速度和相电流。DriveMonitor是具备JTAG、VCOM (虚拟COM)和 CAN接口的U盘。JTAG接口可用于下载软件和调试OCDS,而CAN接口可用于实时监控和应用程序运行时的参数配置。

优化的微控制器和功率 IC
立足于8位XC800和16位XC2000 微控制器系列,英飞凌推出适用于广泛汽车系统电机控制概念的多种可扩展解决方案(图3a)。这些解决方案包括采用霍尔传感器的阻塞换向解决方案和双磁场定向无传感器控制解决方案。


图3:英飞凌针对微控制器(3a)和桥驱动器(3b)推出可扩展系列,支持成本/性能优化的设计。

XC800系列立足于标准的8051架构。该8位微控制器采用不同大小的闪存(2KB至64 KB)和振荡器、稳压器、EEPROM以及监控/诊断电路,旨在降低系统成本。其优化的外设支持不同的电机控制和电源转换概念。它包含一个适用于灵活PWM生成的高效捕获比较单元(CCU6)、一个适用于精确测量和PWM硬件同步化的高速10位模数转换器以及具备两个CAN节点的MultiCAN模块。XC800系列具备一个适用于磁场定向控制三角函数计算的16位矢量计算机。此外,它还具备16引脚至64引脚的可扩展的封装选项,适用于高达150 °C的广泛温度范围。它是应用于各种汽车系统恶劣环境的理想之选。

XC2236N是XC2000系列中的16位微控制器。其性能可与32位微控制器媲美。XC2000系列立足于成熟的C166架构,经过专门开发,适用于各种汽车系统。由于具备高效的外设功能——例如2个CAPCOM6模块和2个高速12位模数转换器,这种80 MHz的微控制器成为汽车行业电机控制装置的理想之选。除了高效的MAC单元,它还具备32 KB至1600KB的闪存和136 KB RAM。另外,它还具备38引脚至176引脚的可扩展封装选项。
除了上述功能,TLE7184F桥驱动器(图3b)还集成了一个5V固定电压控制器和差分放大器,确保与XC886等8位微控制器轻松实现连接。同样,得益于集成式运算放大器,分流测量所需的电路被最小化,最终确保实现成本和空间优化的设计。


图3:英飞凌针对微控制器(3a)和桥驱动器(3b)推出可扩展系列,支持成本/性能优化的设计。

供货情况

全新汽车无刷直流电机驱动套件可在英飞凌及其合作伙伴公司网站上通过KIT_AK_TLE7184_V1名称找到:https://www.infineon.com/bldc 或https://www.hitex.com

该套件不仅是适用于电机驱动的易用参考设计,还是理想的培训介质。它使用户能够彻底了解利用霍尔传感器的阻塞换向相对于无传感器控制的优点和缺点,从而确定哪种方法最适合他们的具体应用。英飞凌还准备了一个视频,介绍如何利用这种套件快速轻松地完成完整的电机设计。

链接: https://www.infineon.com/cms/en/product/applications/Motor_Control_Drives/BLCD_CD.html

www.infineon.com/automotive
www.infineon.com/microcontrollers

作者
Ralf Koedel是英飞凌公司汽车微控制器产品营销负责人。在罗森海姆应用技术大学完成工业工程与管理专业(专攻电气工程)的学习后,他于2004年在英飞凌开始了自己的职业生涯,最初在定价办公室工作。他从2007年开始从事汽车电子装置微控制器的产品营销。Ralf.Koedel@infineon.com。


Alexander Schmidt是英飞凌公司汽车电源技术营销负责人。在完成电气工程/电信专业的学习后,他于2001年在英飞凌开始了自己的职业生涯。最初担任应用工程师,负责开发16位和32位微控制器。他从2004年开始负责汽车半导体的技术营销事务。Alexander.Schmidt@infineon.com。