利用XC866 8位微控制器实现空调室外机风扇控制

应用背景

分体式空调通常包含一个室外机和几个室内风机盘管。室外机包含负责热交换的压缩机。为确保能够根据室外温度的变化，调节室外机的热交换量，需要采用风扇。通常室外机风扇的转速范围为250rpm至1000rpm，功耗不超过100W，典型值为70W。速度指令以模拟格式下达，并向主控制板反馈FG信号。

室外机风扇的控制有特殊的要求。它需要在不同的气候条件下可靠地启动和运行。在遭遇室外强风的情况下，风扇叶片可能会反向旋转。在强台风条件下，电机可能只会达到最高速度的一半。同时为了出于生产便利考虑，还有其他一些要求。因此，最好选择不受电机参数影响、对组件公差或生产变化不敏感的控制方法。

传统的室外机风扇采用梯形换相的无刷直流电机。梯形控制具备多种优势，例如易于控制、大转矩和可靠的性能。不过，由于与生俱来的转矩脉动，梯形换相可导致音频噪声，尤其在电机低速运转条件下。为降低音频噪声，同时满足所有应用要求，本文提出了一种采用英飞凌8位微控制器XC866实现简化正弦控制的方案。

英飞凌室外机风扇解决方案

XC866是高性能的XC800 8位微控制器家族的一员，以兼容行业标准8051处理器的XC800内核为基础。XC866具备一个专用的三相电机控制单元——捕获比较单元6(CCU6)，和一个包含多种扩展功能的10位模数转换器(ADC)。这些特性使XC866成为低端三相电机控制的理想之选，例如无刷直流电机和感应电机。XC866的其他特性包括一个UART、一个SPI接口和三个16位定时器。图2为XC866 8位微控制器的框图。

图3为风扇变频器的系统框图。微控制器、栅极驱动器和6个IGBT安装在同一个电路板上。该电路板通常安装在电机机壳内。310V直流电压直接接至变频器电路板，因此，无需任何整流器级。由于具备适用的特性和可靠的品质，英飞凌分立式IGBT IKD04N60R和栅极驱动器6ED003L06-F被该应用选中。

在实际运行当中，风扇电机可能会处于以下状态：STOP、CHECK_DIR、BRAKE、RAMP和SINU。加电后，一个程序(CHECK_DIR状态)将被调用，用于检查风扇电机的旋转状态。如果处于静止不动的状态，电机将采用梯形换相(RAMP状态)方法实现启动，因为这种方法可提供更强的启动转矩。成功启动后，控制方式转换成正弦调制(SINU状态)，旨在降低音频噪声。不过，如果电机在加电后向相反的方向旋转，软件就会对电机进行制动，直至电机静止不动(BRAKE状态)。制动力根据初始旋转速度计算。例如，如果风扇叶片的转速为400rpm，那么相对于转速为200rpm的风扇叶片，电机制动就需要更大的电流。

电机速度和方向信息由三个霍尔传感器提供。这三个传感器互成60°角。XC866与硬件霍尔输入逻辑(CCU6模块内)集成，从而避免霍尔信号软件轮询并降低CPU开销。电机速度被计算出来以用于计算转子角度。在每个PWM中断中，转子角度都会更新，并用作正弦查找表指数。速度指令可通过ADC通道进行抽样，转换结果作为电压规范提供。最后，根据正弦查找表值和电压规范生成CCU6输出6 PWM信号。图4为稳定运行的控制框图。

若要降低调制的开关损耗，需采用一种特殊方法。在一个供电周期内共有6种状态，每种状态持续60°。其中两个状态未实现调制，例如U相的S5和S6。这与梯形控制类似，而其他4个状态则实现了正弦调制，例如U相的S1 和S2(采用sin( ))及S3 和S4(采用sin(120- ))。

笔者已在客户现场对产品进行了测试，在降噪、反向制动和启动以及效率方面，都获得了令人满意的结果。此外，这种方法不受电机参数的影响，因此适用于各种型号的风扇叶片。这有利用于缩短产品的开发周期，提高生产的便利性。