本文將介紹使用STM最新推出Cortex-M4內(nèi)核的MCU配合基于SLLIMM-nano二代系列功率模塊在冰箱上的FOC 單電阻無(wú)傳感器應(yīng)用。隨著國(guó)家能效政策的大力推廣,越來(lái)越多的電機(jī)應(yīng)用如洗衣機(jī)、風(fēng)機(jī)、洗碗機(jī)、油煙機(jī)開(kāi)始采樣變頻技術(shù)。在傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中,使用分立元件導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)制,可靠性降低,意法半導(dǎo)體(STM)推出針對(duì)小功率電機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)出一種結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高的功率模塊產(chǎn)品,稱(chēng)之為SLLIMM(Small Low-Loss Intelligent Molded Module)小型低損耗智能集成模塊。在該模塊中分兩個(gè)系列,SLLIMM 系列和SLLIMM-nano系列。SLLIMM 系列為600V電壓,10A到30A電流,SLLIMM-nano二代 為600V電壓,5A電流。
軟件設(shè)計(jì)
STM32F302C8T6 是STM最新推出基于Cortex-M4內(nèi)核(內(nèi)部有8MHZ RC 可以16 鎖相環(huán)倍頻)帶有FPU(最大頻率72MHZ)的產(chǎn)品,針對(duì)高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用,其內(nèi)部集成了一路專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的Advanced Timer,最高工作頻率可達(dá)到128MHz,得益于Cortex-M4內(nèi)核強(qiáng)大的運(yùn)算能力,內(nèi)部集成一個(gè)帶寬可達(dá)8.2MHZ高速運(yùn)放模塊。強(qiáng)大的處理內(nèi)核,內(nèi)部集成高速運(yùn)放足以滿(mǎn)足磁場(chǎng)定向控制(FOC)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求,性?xún)r(jià)比極具競(jìng)爭(zhēng)力。
對(duì)于常見(jiàn)的內(nèi)嵌永磁同步電機(jī)(I-PMSM) ,如冰箱壓縮機(jī),通常需要做飽壓?jiǎn)?dòng),會(huì)要求壓縮機(jī)在重載的情況下短時(shí)間能啟動(dòng)成功,諸如類(lèi)似滾筒洗衣,油煙機(jī)都會(huì)有類(lèi)似的工作場(chǎng)景,所以ST在基于 Cortex-M4強(qiáng)大運(yùn)算能力的基礎(chǔ)上導(dǎo)入高頻注入(HFI - High Frequency Injection)功能,確保壓縮機(jī)在大負(fù)載的環(huán)境下能在零速下順利啟動(dòng),進(jìn)入正常運(yùn)行模式。HFI功能需要基于STM提供的FOC SDK 4.0才能實(shí)現(xiàn),同時(shí)STM也為了配合SDK 4.0的使用,在PC端提供了一個(gè)便捷易用的配置和在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)試軟件ST Motor Control Workbench,方便用戶(hù)快速入門(mén)(如圖1)。
圖1 ST Motor Control Workbench GUI
使用HFI功能,需要打開(kāi)GUI 界面,在電機(jī)類(lèi)型選擇中選擇”Internal PMSM”(目前HFI僅支持Ld
圖2 電機(jī)本體特征參數(shù)配置對(duì)話(huà)框
通過(guò)GUI右側(cè)的“Driver Management” 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)管理模塊頁(yè)面,在出現(xiàn)的頁(yè)面中選擇“Speed Position Feedback Management” ,在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇“Main sensor”標(biāo)簽,通過(guò)“Sensor Selection”下拉選擇框,選中“ Sensor-less ( HFI + Observer )” (圖 3) 。
圖 3
同時(shí)為了滿(mǎn)足HFI的調(diào)試要求,我們還需要進(jìn)入通過(guò)GUI右側(cè)的“Control Stage”進(jìn)入“DAC Functionality”對(duì)話(huà)框,配合MCU自帶的兩個(gè)DAC模塊輸出調(diào)試需要的電流和電角度信號(hào)(圖 4)。
圖 4
MCU的電流采樣的運(yùn)放配置
由于STM32F302C8T6內(nèi)部集成了PGA和Op-Amp,GUI同時(shí)也提供了一個(gè)清晰明了的配置界面用于配置運(yùn)放的增益參數(shù)。通過(guò)GUI右側(cè)的 “Control Stage”進(jìn)入“Analog Input and Protection”對(duì)話(huà)框(圖5),選擇“Embedded PGA”。
圖 5
在“Sensing OPAMP”中選擇“Calculat”按鈕,我們可以進(jìn)入運(yùn)放的增益電路電阻選擇界面,如圖6。我們可以配置電路設(shè)計(jì)預(yù)定的采樣電流值,運(yùn)放放大電路的電阻值,計(jì)算實(shí)際的電流放大倍率,配置產(chǎn)生的結(jié)果在界面右下方直接顯示出來(lái),方便用戶(hù)核對(duì)。
圖 6
IPM
STGIF5CH60TS- L是STM最新推出的600V 5A 集成智能功率模塊,內(nèi)部集成了六個(gè)TGFS IGBT(Trench Gate Field-Stop IGBT)、高邊和底邊柵極驅(qū)動(dòng)器 (內(nèi)部集成了自舉用二極管)。集成了死區(qū)時(shí)間控制、欠壓鎖定(Undervoltage Lockout)、過(guò)流保護(hù)、短路故障保護(hù)比較器、智能關(guān)斷功能(Smart ShutDown Function)、可選NTC。全塑封封裝,隔離可支持1500 Vrms/min,并有通過(guò)UL 1557認(rèn)證。
圖 7
如圖 7,IPM內(nèi)部集成的IGBT單管連續(xù)電流可達(dá)5A,峰值電流持續(xù)1毫秒可達(dá)10A,短路承受時(shí)間可達(dá)5微秒,針對(duì)典型的電機(jī)控制開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化,在飽和壓降VCE(SAT)和開(kāi)關(guān)速度(tfall)之間選擇了一個(gè)權(quán)衡,最大限度的在傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損壞之間平衡,減少了參數(shù)dV/dt和dI/dt值,可實(shí)現(xiàn)較低的EMI特征。
低壓供電電壓與欠壓鎖定(UVLO)
按手冊(cè)提供的數(shù)據(jù),可知IPM的低壓供電電壓VCC在-0.3V ~ 20V之間,該電壓為IPM的控制電路提供供電電源。在IPM內(nèi)部VCC端口處,集成了欠壓鎖定(UVLO)電路,如圖8,該電路會(huì)監(jiān)測(cè)VCC值。當(dāng) VCC低于VCC_thON閥值時(shí),欠壓鎖定電路會(huì)關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)的輸出信號(hào);當(dāng)VCC達(dá)到并高于VCC_thON的閥值后,柵極驅(qū)動(dòng)的輸出會(huì)被打開(kāi),同時(shí)提供一個(gè)大約1.5V左右的遲滯電壓VCC_hys,用來(lái)避免噪音的影響;當(dāng)VCC 低于VCC_thOff閥值后,欠壓鎖定電路檢測(cè)到欠壓(UVLO)事件,內(nèi)部的IGBT會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,無(wú)論此時(shí)是否還存在輸出信號(hào)。
受驅(qū)動(dòng)電路的影響,為確保IPM的驅(qū)動(dòng)電路可靠、穩(wěn)定工作,需在供電電源部分設(shè)計(jì)時(shí)給予充分考慮,確保在負(fù)載波動(dòng)情況下,該供電電壓的輸出波動(dòng)能控制在 IPM可承受的合理范圍內(nèi)。同時(shí)為提高IPM的抗干擾能力,建議在IPM電源外圍增加濾波電路。通常的做法是使用一個(gè)電解電容(低ESR)和一個(gè)較小的陶瓷電容(幾百nF)并聯(lián)在VCC和GND之間,電容放置的位置應(yīng)盡可能靠近IPM電源端。
邏輯輸入信號(hào)
高壓柵極驅(qū)動(dòng)HVIC有兩個(gè)邏輯輸入端HIN 和LIN,分別控制高壓端的高側(cè)輸出HVG和低側(cè)輸出LVG。所有的邏輯輸入電平都能兼容TTL 5V/CMOS 3.3V電平信號(hào),并且在電路的硬件上提供了用于降低噪聲敏感度的遲滯電壓(~1V)。因其邏輯端口的低電平特性,使得IPM可適用任何一種控制器,如 MCU、DSP和FPGA等。因邏輯輸入端口內(nèi)部連接了上拉或下拉電阻,當(dāng)邏輯輸入懸空時(shí),柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出端LVG和HVG會(huì)依照默認(rèn)的上下拉電阻被設(shè)置為對(duì)應(yīng)的關(guān)斷狀態(tài)。在PCB布線(xiàn)時(shí),當(dāng)IPM距離控制器較遠(yuǎn),邏輯輸入信號(hào)走線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí),應(yīng)在信號(hào)線(xiàn)靠近IPM一端外加一個(gè)RC濾波網(wǎng)絡(luò)或緩沖器,用來(lái)減少輸入信號(hào)線(xiàn)上的毛刺導(dǎo)致的干擾。
圖 8 高壓柵極驅(qū)動(dòng)框圖
智能關(guān)斷功能(SD/OD)
在 STGIF5CH60TS-L版本中,IPM內(nèi)部集成了智能關(guān)斷(SD/OD)功能,該功能可提高IPM對(duì)過(guò)流和短路的失效保護(hù)。如圖8,智能關(guān)斷模塊接受2個(gè)觸發(fā)信號(hào),一是來(lái)自MCU端的控制關(guān)斷信號(hào),另一個(gè)是來(lái)自?xún)?nèi)部比較器的故障檢測(cè)輸出信號(hào)。當(dāng)內(nèi)部的比較器同相輸入端通過(guò)一個(gè)RC濾波網(wǎng)絡(luò)(RSF和 CSF)連接到采樣電阻RShunt用于過(guò)流檢測(cè)。在RShunt的電壓高于參考電壓VREF后,故障比較器輸出端電平翻轉(zhuǎn)送入到智能關(guān)斷模塊,模塊立即關(guān)閉IGBT的柵極HVG 和LVG (內(nèi)部延遲時(shí)間典型值為200ns),驅(qū)動(dòng)部分的半橋處于三態(tài)高阻;同時(shí)模塊也輸出信號(hào)到SD/OD引腳內(nèi)部集成的P-MOSFET,控制RSD和CSD 網(wǎng)絡(luò)充電。在充電完成后,SD信號(hào)達(dá)到下限的閥值VSD_L_THR,模塊關(guān)閉輸入HIN和LIN。通過(guò)增加SD引腳外部的RC網(wǎng)絡(luò)充放電時(shí)間,智能關(guān)斷模塊也給用戶(hù)提供了盡量多的可控的禁用時(shí)間(從故障發(fā)生到輸出關(guān)閉的時(shí)間),而且不損害SLLIMM延遲保護(hù)時(shí)間。
應(yīng)用電路
圖9 為STGIF5CH60TS-L的實(shí)際應(yīng)用電路參考。
在冰箱壓縮機(jī)測(cè)試中,實(shí)際測(cè)試使用STGIF5CH60TS-L基于磁場(chǎng)定向控制(FOC)的單電阻方案,測(cè)試平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行平穩(wěn),各項(xiàng)功能均在可接受范圍,使用STM32FOC SDK4.0,可實(shí)現(xiàn)冰箱壓縮機(jī)飽壓立刻平穩(wěn)啟動(dòng)。由于STGIF5CH60TS-L內(nèi)部集成的欠壓鎖存電路、故障檢測(cè)比較器、智能關(guān)斷等模塊,極大的提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,并因其內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器降低了系統(tǒng)在電流采樣部分的布線(xiàn)要求,同時(shí)也減少了外圍元器件的數(shù)量,降低了系統(tǒng)整體成本,更適合在一些追求小尺寸面積的應(yīng)用場(chǎng)合使用。對(duì)于參考方案如有需求評(píng)估,可聯(lián)系我司獲得相關(guān)信息。
評(píng)論
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