基于UM321xF系列芯片的工業(yè)風(fēng)機(jī)解決方案

一、前言

隨著中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，風(fēng)機(jī)行業(yè)成為工業(yè)領(lǐng)域的重要設(shè)備之一。目前，中國(guó)風(fēng)機(jī)行業(yè)市場(chǎng)的規(guī)模龐大，產(chǎn)品類型多樣，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。近年來，中國(guó)風(fēng)機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模一直保持著快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)氣動(dòng)工程學(xué)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)，2024年，中國(guó)風(fēng)機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了2000億元，同比增長(zhǎng)了10%以上。同時(shí)，風(fēng)機(jī)行業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水平也得到了大幅提升，大部分企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)高效節(jié)能的產(chǎn)品，滿足客戶對(duì)產(chǎn)品性能的需求。

目前，中國(guó)風(fēng)機(jī)行業(yè)市場(chǎng)主要分為工業(yè)風(fēng)機(jī)和民用風(fēng)機(jī)兩大類。工業(yè)風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用于煤礦、電力、化工、冶金等行業(yè)，用于排風(fēng)、通風(fēng)、送風(fēng)等工藝流程。民用風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用于建筑、家用電器等領(lǐng)域，用于室內(nèi)通風(fēng)、排濕等方面。兩大類風(fēng)機(jī)市場(chǎng)規(guī)模較大，其中工業(yè)風(fēng)機(jī)市場(chǎng)規(guī)模較大，但民用風(fēng)機(jī)市場(chǎng)增速較快，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

廣芯微基于UM321xF系列芯片開發(fā)出面向風(fēng)機(jī)應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)和完整解決方案，并開放源文件及快速的技術(shù)服務(wù)，確?？蛻艋趶V芯微方案進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)可順利實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，以此推進(jìn)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的快速上市。

二、硬件方案介紹

硬件版圖：

硬件方案框圖：

1.外置2級(jí)LDO Power電源支持12-48V寬電壓輸入；

2.內(nèi)置1路運(yùn)放可直接進(jìn)行單電阻電流采樣重構(gòu)；

3.內(nèi)置3路比較器快速直接獲取反電勢(shì)信號(hào)或硬件過流保護(hù) ；

4.PWM支持與比較器的聯(lián)動(dòng)，異常情況緊急停機(jī)保護(hù)機(jī)制，有效防止功率元器件損壞；

5.可搭配3顆N溝道預(yù)驅(qū)（UM6012）或1顆6N溝道預(yù)驅(qū)（UM6032），豐富的產(chǎn)品線器件供應(yīng)選擇；

6.豐富的外設(shè)接口（SPI/UART/IIC/CAN）,支持多傳感器擴(kuò)展功能；

7.板極ESD設(shè)計(jì)可靠度可達(dá)8KV以上，得益于廣芯微UM321xF芯片優(yōu)異的ESD性能；

8.高集成度、高可靠性、低功耗MCU，各功能外設(shè)配合檢測(cè)電路可進(jìn)行各種失效監(jiān)測(cè)；

9.擴(kuò)展了HALL接口電路，可支持有感FOC控制方案；

10.擴(kuò)展了反電勢(shì)檢測(cè)電路，可支持無感FOC的順逆風(fēng)檢測(cè)；

11.擴(kuò)展了PWM/VSP調(diào)速功能及FG信號(hào)反饋。

三、軟件方案介紹

a)軟件架構(gòu)：

此方案整個(gè)軟件工程分為應(yīng)用層、System、Common及電機(jī)庫(kù)。應(yīng)用層包含系統(tǒng)初始、系統(tǒng)配置、CLI引擎、通用任務(wù)、電機(jī)控制API、電機(jī)任務(wù)等。System層包含Startup啟動(dòng)、中斷服務(wù)、時(shí)鐘、睡眠與低功耗等。Common層包含消息隊(duì)列、軟定時(shí)器、延時(shí)/串口輸出、實(shí)用工具等。電機(jī)庫(kù)包含PID 環(huán)路、換相函數(shù)處理、芯片驅(qū)動(dòng)庫(kù)等。

b)軟件設(shè)計(jì)框圖：

控制器上電后進(jìn)入系統(tǒng)配置，依次進(jìn)行IO端口配置，AD轉(zhuǎn)換模塊配置，定時(shí)器的配置，中斷初始化，定時(shí)器初始化，保護(hù)參數(shù)初始化，交互參數(shù)初始化，初始化狀態(tài)檢測(cè)，使能中斷，最后進(jìn)入主循環(huán)（App-Task）執(zhí)行相應(yīng)app層事件。

電機(jī)控制部分主要在高頻中斷中執(zhí)行運(yùn)算，主要處理FOC運(yùn)算部分，及位置速度觀測(cè)器。ADC中斷主要處理采樣數(shù)據(jù)，低頻中斷主要處理速度/功率外環(huán)控制部分及故障檢測(cè)部分。

電機(jī)控制算法采用單/雙電阻無感FOC的電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，可在配置文件中選擇有感/無感/單電阻電流重構(gòu)/雙電阻電流重構(gòu)等組合方案，方案框圖如下所示：

c)電機(jī)算法庫(kù)概要：

四、功能參數(shù)及測(cè)試波形

功能參數(shù)：

支持單/雙電阻無/有感FOC控制方案

輸入電壓：DC 12-48V

額定功率：<500W

防電源反接電路設(shè)計(jì)

支持PWM調(diào)速及FG信號(hào)反饋

順逆風(fēng)啟停

硬件過流，欠過壓，欠過溫，限/過流，堵轉(zhuǎn)等全功能保護(hù)

測(cè)試波形：

五、解決方案優(yōu)勢(shì)

1.低功耗技術(shù)指標(biāo)

1.1μA@3.0V DeepSleep+RTC模式，RCL運(yùn)行，IO、SRAM以及寄存器數(shù)據(jù)保持

0.44μA @3.0V Stop模式，所有時(shí)鐘停止，IO、SRAM以及寄存器數(shù)據(jù)保持

123μA/MHz @3.0V @48MHz Active模式

3.7μs快速睡眠喚醒系統(tǒng)

2.高可靠性，將EMC及ESD性能作為基礎(chǔ)要求融入芯片定義，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，并結(jié)合板級(jí)設(shè)計(jì)通過了目前所有電控項(xiàng)目的ESD及EMC測(cè)試；

3.高集成度，內(nèi)部集成3路比較器，1路運(yùn)放，硬件加速器，減少外圍電路及布板空間；

4.分層設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)，豐富且成熟的電機(jī)算法庫(kù)，降低開發(fā)設(shè)計(jì)難度及技術(shù)門檻。

關(guān)于廣芯微

廣芯微電子（廣州）股份有限公司是一家致力于面向新能源、變頻電機(jī)控制及低功耗物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?yàn)榭蛻籼峁﹦?chuàng)新芯片及其解決方案的集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，其產(chǎn)品包括極具特色的微控制器芯片、無線射頻收發(fā)器芯片、快充與數(shù)字電源管理芯片等。廣芯微獨(dú)有的低功耗芯片設(shè)計(jì)方法、高效率的變頻電控技術(shù)、大功率的PD快充協(xié)議以及多樣性無線連接技術(shù)整合而成創(chuàng)新與差異化的集成電路設(shè)計(jì)，在健康醫(yī)療電子、消費(fèi)電子、智慧家庭、工業(yè)控制、傳感器與表計(jì)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。