應(yīng)用概述

為了減少家庭能源使用，吊扇和其他家用風(fēng)扇正在從大型重型單相交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM) 遷移到更小、更輕、更高效的三相無(wú)刷直流 (BLDC) 或永磁同步電機(jī) (PMSM)，更高的功率密度。該參考設(shè)計(jì)提供了針對(duì)能源效率和成本進(jìn)行優(yōu)化的低壓 PMSM 風(fēng)扇解決方案。您可以以 300 RPM 的速度運(yùn)行吊扇，并且僅消耗約 17.5W，大約相當(dāng)于 2 個(gè) LED（相當(dāng)于 60W）燈泡所需的功率。以此參考設(shè)計(jì)為起點(diǎn)，可以在更短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建風(fēng)扇解決方案。

演示說(shuō)明

從高壓?jiǎn)蜗?ACIM 電機(jī)更改為低壓三相 PMSM/BLDC 電機(jī)需要 2 級(jí)功率轉(zhuǎn)換電路。首先，反激式轉(zhuǎn)換器電路將 90-265 VAC 輸入電源轉(zhuǎn)換為具有高功率因數(shù)校正 (PFC) 的中間 32 VDC，以保持能源效率。即使在低功率條件下，功率因數(shù)也保持在 0.9 以上。這會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)大多數(shù) PMSM 電機(jī)所需的電壓總線。 MCP16331 峰值電流模式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器將 32 VDC 降至 10V。它用于為三個(gè) MIC4605 半橋 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器高效供電，這些驅(qū)動(dòng)器根據(jù) dsPIC 數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC) PWM 輸出的指示打開和關(guān)閉六個(gè) MOSFET。高效 MIC5205 低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器還可將 10 伏電壓降至 3.3V，為 dsPIC 供電。

選擇參考設(shè)計(jì)的組件是為了優(yōu)化物料清單 (BOM)，以最少的組件數(shù)量并實(shí)現(xiàn)最低的成本。例如，高度集成的dsPIC33CK64MC102 DSC包括兩個(gè)用于電機(jī)相電流放大的運(yùn)算放大器和一個(gè)用于檢測(cè)過(guò)流狀況的比較器，從而節(jié)省了使用外部電路的空間和成本。使用單電流實(shí)現(xiàn)來(lái)代替雙或三并聯(lián)電機(jī)相電流測(cè)量電路，以降低成本和空間。由此產(chǎn)生的緊湊型圓形 10 厘米直徑板可安裝在典型風(fēng)扇電機(jī)的頂部，類似于實(shí)際的最終產(chǎn)品解決方案。 BOM 還符合中國(guó) RoHS 50 和歐盟 Reach 標(biāo)準(zhǔn)。

為了獲得最高的能源效率、最大的電機(jī)扭矩輸出和安靜的運(yùn)行，dsPIC DSC 運(yùn)行具有正弦 PWM 輸出的先進(jìn)磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法。初始位置檢測(cè) (IPD) 軟件算法可確保啟動(dòng)時(shí)風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)的正確方向。當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)或需要改變風(fēng)扇方向時(shí)，飛速啟動(dòng)和制動(dòng)算法可提供平穩(wěn)的重新啟動(dòng)。

為了支持進(jìn)一步定制，四個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳被引出到板的邊緣。這些引腳可以通過(guò)軟件配置為 UART 或 SPI 或用于輸入捕捉功能。這允許用戶創(chuàng)建與各種傳感器或通信協(xié)議（例如紅外 (IR)、藍(lán)牙、WiFi 或?qū)Ｓ屑彝プ詣?dòng)化協(xié)議）的接口。

通過(guò)將庫(kù)存控制板與參考設(shè)計(jì)板交換，該低壓風(fēng)扇參考設(shè)計(jì)板可與任何現(xiàn)有的三相 BLDC 或 PMSM 風(fēng)扇一起使用。如果電機(jī)參數(shù)與庫(kù)存演示電機(jī)不同，則可能需要更改 FOC 參數(shù)。將交流電源和電機(jī)線連接到電路板和紅外接收器后，可以使用遙控器來(lái)啟動(dòng)和停止風(fēng)扇以及更改速度或方向設(shè)置。

設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

參考設(shè)計(jì)縮短了風(fēng)扇開發(fā)時(shí)間

低壓三相 PMSM 實(shí)施比典型 ACIM 實(shí)施更節(jié)能

有競(jìng)爭(zhēng)力的 BOM 成本

緊湊的電路板設(shè)計(jì)適合風(fēng)扇電機(jī)頂部

運(yùn)行單分流無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法，實(shí)現(xiàn)安靜、高效的風(fēng)扇運(yùn)行

初始位置檢測(cè) (IPD) 確保風(fēng)扇開始朝正確方向轉(zhuǎn)動(dòng)

風(fēng)車和主動(dòng)制動(dòng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇平穩(wěn)重啟

用于風(fēng)扇功能的紅外 (IR) 遠(yuǎn)程控制

特色解決方案

演示基于 Microchip dsPIC33CK 數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC) 的低成本、高效吊扇參考設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)使用運(yùn)行磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的更輕、更高效的 BLDC 電機(jī)取代了重型 ACIM。演示的高級(jí)軟件功能包括初始位置檢測(cè) (IPD)、風(fēng)車（快速啟動(dòng)）和用于改善風(fēng)扇運(yùn)行的制動(dòng)。

解決方案圖

參考設(shè)計(jì)物料清單

dsPIC33CK64MC102：適用于高性能嵌入式和電機(jī)控制應(yīng)用的 100 MHz 單核 DSC

MCP16331：50V 輸入、非同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

MIC5205：150mA 1% 低噪聲 LDO

MCP6001：一款單路 1MHz 運(yùn)算放大器，靜態(tài)電流為 100 uA（典型值），電源電壓范圍為 1.8V 至 5.5V。

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