大聯(lián)大世平集團(tuán)針對(duì)新能源車載高壓無(wú)刷電機(jī)，推出基于旗芯微 FC4150 的車載電空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。此方案應(yīng)用在新能源 400V 電壓平臺(tái)，開發(fā)板搭載的主要器件有 Flagchip 的MCU FC4150，NXP 的汽車安全系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片( SBC )，安森美的 IPM 模塊，圣邦微的車規(guī)級(jí)運(yùn)放等?？梢杂米黩?qū)動(dòng)壓縮機(jī)、水泵、冷卻風(fēng)扇等車載輔助電機(jī)，符合 ASIL B 功能安全等級(jí)。

硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明:

1. 主控

采用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A，使用高性能的 ARM Cortex-M4 為內(nèi)核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達(dá) 150 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的 I/O 端口和多種外設(shè)。

FC4150F512BS1P64T1A 框圖如下圖所示：

1. IPM

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，方案采用集成預(yù)驅(qū)與 6 顆 IGBT 管的 IPM 來(lái)做電機(jī)的電子換相控制。芯片采用的是 Onsemi 的 NFVA35065L32-D。NFVA35065L32-D 內(nèi)置 3 個(gè)高速半橋高壓柵極驅(qū)動(dòng)電路，集成了（650V/50A）低損耗的 IGBT 管，最大支持 20Khz 的 PWM，死區(qū)最小時(shí)間為 2us，還提供多個(gè)模塊保護(hù)功能，包括欠電壓鎖定、過(guò)電流鎖定、驅(qū)動(dòng)與集成電路的溫度監(jiān)測(cè)和故障報(bào)告等，為汽車電機(jī)應(yīng)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：

1. 電源設(shè)計(jì)

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 ，F(xiàn)S2600 具有多個(gè) BUCK 、BOOST 輸出以及 LDO 穩(wěn)壓器，可為 MCU、SENSOR、外設(shè) IC 和通信接口供電。FS2600B 的監(jiān)控診斷包括喚醒輸入、看門狗、復(fù)位、中斷，以及對(duì)電路診斷后的失效輸出等，這顆 FS2600 & FC4150 通過(guò) SPI 通信，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)提供潛在的故障監(jiān)測(cè)輸出，以提供增強(qiáng)的安全特性。

FS2600B框圖如下圖所示：

4.OPA

運(yùn)算放大器部分，方案采用圣邦威的車規(guī)級(jí) SGM8557H-1AQ 來(lái)對(duì) 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(qū)動(dòng)能力高達(dá) 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(jí)認(rèn)證

方案原理圖：

1.MCU 板

2.高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

PCB Layout：

1.MCU 板

2.高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明:

方案軟件部分采用世平 Sensorless FOC 雙電阻采樣的軟件庫(kù)架構(gòu)，通過(guò)板載電位器使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。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：

1. SVM

空間矢量脈寬調(diào)制（SVM）是 FOC 的基礎(chǔ)，是根據(jù)其所在扇區(qū)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(guān)次數(shù)較多，但諧波較小；五段式開關(guān)次數(shù)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(xiàn)流程大致如下：

① 判斷合成矢量所在扇區(qū)

② 計(jì)算相鄰矢量作用時(shí)間

③ 計(jì)算各橋臂導(dǎo)通時(shí)間

④ 得到各相PWM占空比

⑤ 更新相應(yīng)寄存器值

1. 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(jì)算第三相（U 相）的電流。

3. FC4150 外設(shè)間的相互配合

在 FOC 控制中 FTU 需要產(chǎn)生中心對(duì)齊的 PWM 信號(hào)，在重新裝載計(jì)數(shù)值時(shí)，F(xiàn)TU 支持產(chǎn)生重新裝載的觸發(fā)信號(hào)用于通知 2 個(gè) PTIMER 開始計(jì)時(shí)，當(dāng) PTIMER 計(jì)時(shí)到 PWM 的中心點(diǎn)時(shí)，PTIMER 產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)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，F(xiàn)OC 算法函數(shù)開始計(jì)算下一周期各個(gè)通道的 PWM 占空比，從而完成對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制。

?場(chǎng)景應(yīng)用圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1. MCU 內(nèi)核是 ARM Cortex-M4，主頻 150MHZ，內(nèi)置 96MH 高速振蕩器，512KBFlash，128KB SRAM，12-bit ADC with 1MSPS

2.使用 Cache & FPU 運(yùn)算，F(xiàn)OC 算法在 10us 內(nèi)可以處理完畢，極大減少 MCU 的資源使用

3.使用 IPM 內(nèi)置比較器做過(guò)電流保護(hù)

4. IPM 內(nèi)置 650V/50A 的IGBT，滿足壓縮機(jī)大功率應(yīng)用并保留冗余

5. 使用 FS2600 SBC 增強(qiáng)系統(tǒng)安全冗余

?方案規(guī)格

1. 輸入電壓范圍: 310VDC~450VDC

2. MCU: ARM Cortex-M4 32-bit 內(nèi)核，主頻高達(dá) 150MHz ，ASIL-B 功能安全等級(jí)

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(hù)

7. 板載電位器支持速度調(diào)節(jié)

8. 具備 LED 指示燈 & 按鍵

9. 開發(fā)板尺寸 : MCU 板 80 * 70 mm ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 170 * 150 mm

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