利用XC866 8位微控制器實現空調室外機風扇控制

錢偉喆

應用背景

分體式空調通常包含一個室外機和幾個室內風機盤管。室外機包含負責熱交換的壓縮機。為確保能夠根據室外溫度的變化，調節室外機的熱交換量，需要采用風扇。通常室外機風扇的轉速范圍為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。在遭遇室外強風的情況下，風扇葉片可能會反向旋轉。在強臺風條件下，電機可能只會達到最高速度的一半。同時為了出于生產便利考慮，還有其他一些要求。因此，最好選擇不受電機參數影響、對組件公差或生產變化不敏感的控制方法。

傳統的室外機風扇采用梯形換相的無刷直流電機。梯形控制具備多種優勢，例如易于控制、大轉矩和可靠的性能。不過，由于與生俱來的轉矩脈動，梯形換相可導致音頻噪聲，尤其在電機低速運轉條件下。為降低音頻噪聲，同時滿足所有應用要求，本文提出了一種采用英飛凌8位微控制goxc866實現簡化正弦控制的方案。

英飛凌室外機風扇解決方案

XC866是高性能的XC800 8位微控制器家族的一員，以兼容行業標準805l處理器的XC800內核為基礎。XC866具備一個專用的三相電機控制單元一一捕獲比較單元6(CCU6)，和一個包含多種擴展功能的10位模數轉換器(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為風扇變頻器的系統框圖。微控制器、柵極驅動器和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。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，英飛凌分立式IGBT tKD04N60R和柵極驅動器6ED003L06-F被該應用選中。

在實際運行當中，風扇電機可能會處于以下狀態：STOP、CHECK DIR、BRAKE、RAMP和SINU。加電后，一個程序(CHECK DIR狀態)將被調用，用于檢查風扇電機的旋轉狀態。如果處于靜止不動的狀態，電機將采用梯形換相(RAMP狀態)方法實現啟動，因為這種方法可提供更強的啟動轉矩。成功啟動后，控制方式轉換成正弦調制(SINU狀態)，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，軟件就會對電機進行制動，直至電機靜止不動(BRAKE狀態)。制動力根據初始旋轉速度計算。例如，如果風扇葉片的轉速為400rpm，那么相對于轉速為200rpm的風扇葉片，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)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子角度。在每個PWM中斷中，轉子角度都會更新，并用作正弦查找表指數。速度指令可通過ADC通道進行抽樣，轉換結果作為電壓規范提供。最后，根據正弦查找表值和電壓規范生成CCU6輸出6 PWM信號。圖4為穩定運行的控制框圖。

若要降低調制的開關損耗，需采用一種特殊方法。在一個供電周期內共有6種狀態，每種狀態持續60°。其中兩個狀態未實現調制，例如u相的s5和s6。這與梯形控制類似，而其他4個狀態則實現了正弦調制，例如u相的s1和s2(采用sin())及s3和S4(采用sin(120-))。

筆者已在客戶現場對產品進行了測試，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果。此外，這種方法不受電機參數的影響，因此適用于各種型號的風扇葉片。這有利用于縮短產品的開發周期，提高生產的便利性。