利用XC866 8位微控制器實(shí)現(xiàn)空調(diào)室外機(jī)風(fēng)扇控制

　　應(yīng)用背景

　　分體式空調(diào)通常包含一個(gè)室外機(jī)和幾個(gè)室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)管。室外機(jī)包含負(fù)責(zé)熱交換的壓縮機(jī)。為確保能夠根據(jù)室外溫度的變化，調(diào)節(jié)室外機(jī)的熱交換量，需要采用風(fēng)扇。通常室外機(jī)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速范圍為250rpm至1000rpm，功耗不超過(guò)100W，典型值為70W。速度指令以模擬格式下達(dá)，并向主控制板反饋FG信號(hào)。

　　室外機(jī)風(fēng)扇的控制有特殊的要求。它需要在不同的氣候條件下可靠地啟動(dòng)和運(yùn)行。在遭遇室外強(qiáng)風(fēng)的情況下，風(fēng)扇葉片可能會(huì)反向旋轉(zhuǎn)。在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)條件下，電機(jī)可能只會(huì)達(dá)到最高速度的一半。同時(shí)為了出于生產(chǎn)便利考慮，還有其他一些要求。因此，最好選擇不受電機(jī)參數(shù)影響、對(duì)組件公差或生產(chǎn)變化不敏感的控制方法。

　　傳統(tǒng)的室外機(jī)風(fēng)扇采用梯形換相的無(wú)刷直流電機(jī)。梯形控制具備多種優(yōu)勢(shì)，例如易于控制、大轉(zhuǎn)矩和可靠的性能。不過(guò)，由于與生俱來(lái)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，梯形換相可導(dǎo)致音頻噪聲，尤其在電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下。為降低音頻噪聲，同時(shí)滿(mǎn)足所有應(yīng)用要求，本文提出了一種采用英飛凌8位微控制器XC866實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化正弦控制的方案。

　　英飛凌室外機(jī)風(fēng)扇解決方案

　　XC866是高性能的XC800 8位微控制器家族的一員，以兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051處理器的XC800內(nèi)核為基礎(chǔ)。XC866具備一個(gè)專(zhuān)用的三相電機(jī)控制單元——捕獲比較單元6(CCU6)，和一個(gè)包含多種擴(kuò)展功能的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這些特性使XC866成為低端三相電機(jī)控制的理想之選，例如無(wú)刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。XC866的其他特性包括一個(gè)UART、一個(gè)SPI接口和三個(gè)16位定時(shí)器。圖2為XC866 8位微控制器的框圖。

　　圖3為風(fēng)扇變頻器的系統(tǒng)框圖。微控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器和6個(gè)IGBT安裝在同一個(gè)電路板上。該電路板通常安裝在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)。310V直流電壓直接接至變頻器電路板，因此，無(wú)需任何整流器級(jí)。由于具備適用的特性和可靠的品質(zhì)，英飛凌分立式IGBT IKD04N60R和柵極驅(qū)動(dòng)器6ED003L06-F被該應(yīng)用選中。

　　在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，風(fēng)扇電機(jī)可能會(huì)處于以下?tīng)顟B(tài)：STOP、CHECK_DIR、BRAKE、RAMP和SINU。加電后，一個(gè)程序(CHECK_DIR狀態(tài))將被調(diào)用，用于檢查風(fēng)扇電機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)，電機(jī)將采用梯形換相(RAMP狀態(tài))方法實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，因?yàn)檫@種方法可提供更強(qiáng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。成功啟動(dòng)后，控制方式轉(zhuǎn)換成正弦調(diào)制(SINU狀態(tài))，旨在降低音頻噪聲。不過(guò)，如果電機(jī)在加電后向相反的方向旋轉(zhuǎn)，軟件就會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，直至電機(jī)靜止不動(dòng)(BRAKE狀態(tài))。制動(dòng)力根據(jù)初始旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算。例如，如果風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)速為400rpm，那么相對(duì)于轉(zhuǎn)速為200rpm的風(fēng)扇葉片，電機(jī)制動(dòng)就需要更大的電流。

　　電機(jī)速度和方向信息由三個(gè)霍爾傳感器提供。這三個(gè)傳感器互成60°角。XC866與硬件霍爾輸入邏輯(CCU6模塊內(nèi))集成，從而避免霍爾信號(hào)軟件輪詢(xún)并降低CPU開(kāi)銷(xiāo)。電機(jī)速度被計(jì)算出來(lái)以用于計(jì)算轉(zhuǎn)子角度。在每個(gè)PWM中斷中，轉(zhuǎn)子角度都會(huì)更新，并用作正弦查找表指數(shù)。速度指令可通過(guò)ADC通道進(jìn)行抽樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果作為電壓規(guī)范提供。最后，根據(jù)正弦查找表值和電壓規(guī)范生成CCU6輸出6 PWM信號(hào)。圖4為穩(wěn)定運(yùn)行的控制框圖?！∪粢档驼{(diào)制的開(kāi)關(guān)損耗，需采用一種特殊方法。在一個(gè)供電周期內(nèi)共有6種狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)60°。其中兩個(gè)狀態(tài)未實(shí)現(xiàn)調(diào)制，例如U相的S5和S6。這與梯形控制類(lèi)似，而其他4個(gè)狀態(tài)則實(shí)現(xiàn)了正弦調(diào)制，例如U相的S1 和S2(采用sin( ))及S3 和S4(采用sin(120- ))。

　　筆者已在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試，在降噪、反向制動(dòng)和啟動(dòng)以及效率方面，都獲得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果。此外，這種方法不受電機(jī)參數(shù)的影響，因此適用于各種型號(hào)的風(fēng)扇葉片。這有利用于縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)的便利性。