基于UM321xF系列芯片的工业风机解决方案

一、前言

随着中国工业化进程的加快，风机行业成为工业领域的重要设备之一。目前，中国风机行业市场的规模庞大，产品类型多样，市场竞争激烈。近年来，中国风机行业市场规模一直保持着快速增长的趋势。根据中国气动工程学会发布的数据，2024年，中国风机行业市场规模达到了2000亿元，同比增长了10%以上。同时，风机行业产品的质量和技术水平也得到了大幅提升，大部分企业已经能够生产高效节能的产品，满足客户对产品性能的需求。

目前，中国风机行业市场主要分为工业风机和民用风机两大类。工业风机主要应用于煤矿、电力、化工、冶金等行业，用于排风、通风、送风等工艺流程。民用风机主要应用于建筑、家用电器等领域，用于室内通风、排湿等方面。两大类风机市场规模较大，其中工业风机市场规模较大，但民用风机市场增速较快，发展潜力大。

广芯微基于UM321xF系列芯片开发出面向风机应用的参考设计和完整解决方案，并开放源文件及快速的技术服务，确保客户基于广芯微方案进行产品开发可顺利实现量产，以此推进风机产品的快速上市。

二、硬件方案介绍

硬件版图：

 

硬件方案框图：

1.外置2级LDO Power电源支持12-48V宽电压输入；

2.内置1路运放可直接进行单电阻电流采样重构；

3.内置3路比较器快速直接获取反电势信号或硬件过流保护 ；

4.PWM支持与比较器的联动，异常情况紧急停机保护机制，有效防止功率元器件损坏；

5.可搭配3颗N沟道预驱（UM6012）或1颗6N沟道预驱（UM6032），丰富的产品线器件供应选择；

6.丰富的外设接口（SPI/UART/IIC/CAN）,支持多传感器扩展功能；

7.板极ESD设计可靠度可达8KV以上，得益于广芯微UM321xF芯片优异的ESD性能；

8.高集成度、高可靠性、低功耗MCU，各功能外设配合检测电路可进行各种失效监测；

9.扩展了HALL接口电路，可支持有感FOC控制方案；

10.扩展了反电势检测电路，可支持无感FOC的顺逆风检测；

11.扩展了PWM/VSP调速功能及FG信号反馈。

三、软件方案介绍

a)软件架构：

此方案整个软件工程分为应用层、System、Common及电机库。应用层包含系统初始、系统配置、CLI引擎、通用任务、电机控制API、电机任务等。System层包含Startup启动、中断服务、时钟、睡眠与低功耗等。Common层包含消息队列、软定时器、延时/串口输出、实用工具等。电机库包含PID 环路、换相函数处理、芯片驱动库等。

b)软件设计框图：

控制器上电后进入系统配置，依次进行IO端口配置，AD转换模块配置，定时器的配置，中断初始化，定时器初始化，保护参数初始化，交互参数初始化，初始化状态检测，使能中断，最后进入主循环（App-Task）执行相应app层事件。

电机控制部分主要在高频中断中执行运算，主要处理FOC运算部分，及位置速度观测器。ADC中断主要处理采样数据，低频中断主要处理速度/功率外环控制部分及故障检测部分。

电机控制算法采用单/双电阻无感FOC的电流转速双闭环控制系统，可在配置文件中选择有感/无感/单电阻电流重构/双电阻电流重构等组合方案，方案框图如下所示：

c)电机算法库概要：

四、功能参数及测试波形

功能参数：

支持单/双电阻无/有感FOC控制方案

输入电压：DC 12-48V

额定功率：<500W

防电源反接电路设计

支持PWM调速及FG信号反馈

顺逆风启停

硬件过流，欠过压，欠过温，限/过流，堵转等全功能保护

测试波形：

五、解决方案优势

1.低功耗技术指标

1.1μA@3.0V DeepSleep+RTC模式，RCL运行，IO、SRAM以及寄存器数据保持

0.44μA @3.0V Stop模式，所有时钟停止，IO、SRAM以及寄存器数据保持

123μA/MHz @3.0V @48MHz Active模式

3.7μs快速睡眠唤醒系统

2.高可靠性，将EMC及ESD性能作为基础要求融入芯片定义，在设计阶段进行针对性优化，并结合板级设计通过了目前所有电控项目的ESD及EMC测试；

3.高集成度，内部集成3路比较器，1路运放，硬件加速器，减少外围电路及布板空间；

4.分层设计的软件架构，丰富且成熟的电机算法库，降低开发设计难度及技术门槛。

关于广芯微

广芯微电子（广州）股份有限公司是一家致力于面向新能源、变频电机控制及低功耗物联网等领域为客户提供创新芯片及其解决方案的集成电路设计企业，其产品包括极具特色的微控制器芯片、无线射频收发器芯片、快充与数字电源管理芯片等。广芯微独有的低功耗芯片设计方法、高效率的变频电控技术、大功率的PD快充协议以及多样性无线连接技术整合而成创新与差异化的集成电路设计，在健康医疗电子、消费电子、智慧家庭、工业控制、传感器与表计等领域已经得到了广泛的应用。

　　审核编辑：汤梓红