世平基于旗芯微 FC4150 的车载电空调压缩机应用方案

      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。

 

 

硬件设计说明: 

1. 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：

 

1. 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：

 

1. 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：

 

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

 

 

2.高压电机驱动板

 

 

 

PCB Layout：

1.MCU 板

 

 

        2.高压电机驱动板

 

 

 

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：

 

1. 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

 

1. 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。

 

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

►展示板照片

 

►方案方块图

 

►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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