利用XC866 8位微控制器實現(xiàn)空調(diào)室外機風(fēng)扇控制

　　應(yīng)用背景

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

　　室外機風(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和運行。在遭遇室外強風(fēng)的情況下，風(fēng)扇葉片可能會反向旋轉(zhuǎn)。在強臺風(fēng)條件下，電機可能只會達到最高速度的一半。同時為了出于生產(chǎn)便利考慮，還有其他一些要求。因此，最好選擇不受電機參數(shù)影響、對組件公差或生產(chǎn)變化不敏感的控制方法。

　　傳統(tǒng)的室外機風(fēng)扇采用梯形換相的無刷直流電機。梯形控制具備多種優(yōu)勢，例如易于控制、大轉(zhuǎn)矩和可靠的性能。不過，由于與生俱來的轉(zhuǎn)矩脈動，梯形換相可導(dǎo)致音頻噪聲，尤其在電機低速運轉(zhuǎn)條件下。為降低音頻噪聲，同時滿足所有應(yīng)用要求，本文提出了一種采用英飛凌8位微控制器XC866實現(xiàn)簡化正弦控制的方案。

　　英飛凌室外機風(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具備一個專用的三相電機控制單元——捕獲比較單元6(CCU6)，和一個包含多種擴展功能的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這些特性使XC866成為低端三相電機控制的理想之選，例如無刷直流電機和感應(yīng)電機。XC866的其他特性包括一個UART、一個SPI接口和三個16位定時器。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)動器和6個IGBT安裝在同一個電路板上。該電路板通常安裝在電機機殼內(nèi)。310V直流電壓直接接至變頻器電路板，因此，無需任何整流器級。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)動器6ED003L06-F被該應(yīng)用選中。

　　在實際運行當(dāng)中，風(fēng)扇電機可能會處于以下狀態(tài)：STOP、CHECK_DIR、BRAKE、RAMP和SINU。加電后，一個程序(CHECK_DIR狀態(tài))將被調(diào)用，用于檢查風(fēng)扇電機的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果處于靜止不動的狀態(tài)，電機將采用梯形換相(RAMP狀態(tài))方法實現(xiàn)啟動，因為這種方法可提供更強的啟動轉(zhuǎn)矩。成功啟動后，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，如果電機在加電后向相反的方向旋轉(zhuǎn)，軟件就會對電機進行制動，直至電機靜止不動(BRAKE狀態(tài))。制動力根據(jù)初始旋轉(zhuǎn)速度計算。例如，如果風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)速為400rpm，那么相對于轉(zhuǎn)速為200rpm的風(fēng)扇葉片，電機制動就需要更大的電流。

　　電機速度和方向信息由三個霍爾傳感器提供。這三個傳感器互成60°角。XC866與硬件霍爾輸入邏輯(CCU6模塊內(nèi))集成，從而避免霍爾信號軟件輪詢并降低CPU開銷。電機速度被計算出來以用于計算轉(zhuǎn)子角度。在每個PWM中斷中，轉(zhuǎn)子角度都會更新，并用作正弦查找表指數(shù)。速度指令可通過ADC通道進行抽樣，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。圖4為穩(wěn)定運行的控制框圖?！∪粢档驼{(diào)制的開關(guān)損耗，需采用一種特殊方法。在一個供電周期內(nèi)共有6種狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)60°。其中兩個狀態(tài)未實現(xiàn)調(diào)制，例如U相的S5和S6。這與梯形控制類似，而其他4個狀態(tài)則實現(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- ))。

　　筆者已在客戶現(xiàn)場對產(chǎn)品進行了測試，在降噪、反向制動和啟動以及效率方面，都獲得了令人滿意的結(jié)果。此外，這種方法不受電機參數(shù)的影響，因此適用于各種型號的風(fēng)扇葉片。這有利用于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)的便利性。