大联大世平集团针对新能源车载高压无刷电机,推出基于旗芯微 FC4150 的车载电空调压缩机驱动方案。此方案应用在新能源 400V 电压平台,开发板搭载的主要器件有 Flagchip 的MCU FC4150,NXP 的汽车安全系统基础芯片( SBC ),安森美的 IPM 模块,圣邦微的车规级运放等。可以用作驱动压缩机、水泵、冷却风扇等车载辅助电机,符合 ASIL B 功能安全等级。
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硬件设计说明:
- 主控
采用的是旗芯微 FC4150F512BS1P64T1A,使用高性能的 ARM Cortex-M4 为内核的 32 位微控制器,最高工作频率可达 150 MHz,内置高速存储器,丰富的 I/O 端口和多种外设。
FC4150F512BS1P64T1A 框图如下图所示:
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/D9/wKgZomafQcGACCcfAADZo4VzKjE469.png)
- IPM
电机驱动部分,方案采用集成预驱与 6 颗 IGBT 管的 IPM 来做电机的电子换相控制。芯片采用的是 Onsemi 的 NFVA35065L32-D。NFVA35065L32-D 内置 3 个高速半桥高压栅极驱动电路,集成了(650V/50A)低损耗的 IGBT 管,最大支持 20Khz 的 PWM,死区最小时间为 2us,还提供多个模块保护功能,包括欠电压锁定、过电流锁定、驱动与集成电路的温度监测和故障报告等,为汽车电机应用提供了一个全功能、高性能的逆变器。
NFVA35065L32-D 框图如下图所示:
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcGAKA24AAGFFVg6lNU385.png)
- 电源设计
低压电源供电部分,采用了一颗带有功能安全的电源管理芯片,它是 恩智浦 的 FS2600 ,FS2600 具有多个 BUCK 、BOOST 输出以及 LDO 稳压器,可为 MCU、SENSOR、外设 IC 和通信接口供电。FS2600B 的监控诊断包括唤醒输入、看门狗、复位、中断,以及对电路诊断后的失效输出等,这颗 FS2600 & FC4150 通过 SPI 通信,在系统运行时提供潜在的故障监测输出,以提供增强的安全特性。
FS2600B框图如下图所示:
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/D9/wKgZomafQcKAbJehAAIWedWl_9U775.png)
4.OPA
运算放大器部分,方案采用圣邦威的车规级 SGM8557H-1AQ 来对 IPM 的底边管进行电流采样。SGM8557H-1AQ 的其特点如下:
- 输入电压 2.7V-5.5V
- 输出驱动能力高达 230mA
- 轨至轨输出
- 输入偏置电压 15uV
- 15MHz 的增益带宽和 7.5V/us 的压摆率
- AEC-Q100 1 级认证
方案原理图:
1.MCU 板
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcOACPohAARZY9L9ucA765.png)
![wKgZomafQcOAMM7mAAKyXvqL9-0465.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/D9/wKgZomafQcOAMM7mAAKyXvqL9-0465.png)
2.高压电机驱动板
![wKgaomafQcSALcLKAAcdmicXRuI114.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcSALcLKAAcdmicXRuI114.png)
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcSAOCIjAAPkSffhIN8706.png)
![wKgZomafQcSAJGOMAAN4qXAqpWI999.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/DA/wKgZomafQcSAJGOMAAN4qXAqpWI999.png)
![wKgZomafQcSANVvFAAPEG7zFcuM121.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/DA/wKgZomafQcSANVvFAAPEG7zFcuM121.png)
PCB Layout:
1.MCU 板
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/DA/wKgZomafQcSAdWm2AAJoGzWwMgw253.png)
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcWALu5dAAHUJd8-glI470.png)
2.高压电机驱动板
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/DA/wKgZomafQcWAXtBAAAJioGgLKCs939.png)
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcWADuvuAAHb5HHvwP8918.png)
软件设计说明:
方案软件部分采用世平 Sensorless FOC 双电阻采样的软件库架构,通过板载电位器使电机旋转。软件采用双环控制(电流环+速度环),矢量控制的框图如下图所示:
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/DA/wKgZomafQcWAeA1QAAEU2saXau8562.png)
- SVM
空间矢量脉宽调制(SVM)是 FOC 的基础,是根据其所在扇区选择非零矢量与零矢量合成而成,有五段式、七段式、混合式。七段式开关次数较多,但谐波较小;五段式开关次数是七段式的一半,但谐波较大,代码采用的是七段式。其实现流程大致如下:
① 判断合成矢量所在扇区
② 计算相邻矢量作用时间
③ 计算各桥臂导通时间
④ 得到各相PWM占空比
⑤ 更新相应寄存器值
- Current Sensing
在电流环,软件中的电流采样选择双电阻采样,通过采样 V 和 W 相的下桥臂电阻上的压降,再用基尔霍夫电流定律计算第三相(U 相)的电流。
![](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcWAdlRVAAG7N6qR7nU547.png)
3. FC4150 外设间的相互配合
在 FOC 控制中 FTU 需要产生中心对齐的 PWM 信号,在重新装载计数值时,FTU 支持产生重新装载的触发信号用于通知 2 个 PTIMER 开始计时,当 PTIMER 计时到 PWM 的中心点时,PTIMER 产生触发信号通知 ADC 进行采样,采样完成后发生 ADC 中断得到三相电流,FOC 算法函数开始计算下一周期各个通道的 PWM 占空比,从而完成对电机的磁场定向控制。
►场景应用图
![wKgaomafQcaAeaRMAAesNkUvupo907.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQcaAeaRMAAesNkUvupo907.png)
►展示板照片
![wKgaomafQceAct5sAAxAValiaKc105.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FE/C2/wKgaomafQceAct5sAAxAValiaKc105.png)
![wKgZomafQcKAKkmFAAiPuAeGD9U983.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/D9/wKgZomafQcKAKkmFAAiPuAeGD9U983.png)
►方案方块图
![wKgZomafQceABhFaAAVQCcfyMqs942.png](https://file1.elecfans.com/web2/M00/FD/DA/wKgZomafQceABhFaAAVQCcfyMqs942.png)
►核心技术优势
1. MCU 内核是 ARM Cortex-M4,主频 150MHZ,内置 96MH 高速振荡器,512KBFlash,128KB SRAM,12-bit ADC with 1MSPS
2.使用 Cache & FPU 运算,FOC 算法在 10us 内可以处理完毕,极大减少 MCU 的资源使用
3.使用 IPM 内置比较器做过电流保护
4. IPM 内置 650V/50A 的IGBT,满足压缩机大功率应用并保留冗余
5. 使用 FS2600 SBC 增强系统安全冗余
►方案规格
1. 输入电压范围: 310VDC~450VDC
2. MCU: ARM Cortex-M4 32-bit 内核,主频高达 150MHz ,ASIL-B 功能安全等级
3. 支持 CAN 通讯
4. 支持 2 Shunt R 三相电流采样
5. 支持 BEMF 电压回授 ADC 采样
6. 支持过压钳位防护
7. 板载电位器支持速度调节
8. 具备 LED 指示灯 & 按键
9. 开发板尺寸 : MCU 板 80 * 70 mm ,电机驱动板 170 * 150 mm
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