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  • 具有数字交错式 PFC、适用于 HVAC 的双电机控制参考设计

    • ZHCU753A January   2022  – October 2022

       

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  • 具有数字交错式 PFC、适用于 HVAC 的双电机控制参考设计
  1.   说明
  2.   资源
  3.   特性
  4.   应用
  5.   5
  6. 1系统说明
    1. 1.1 关键系统规格
  7. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 设计注意事项
    3. 2.3 重点产品
      1. 2.3.1 TMS320F2800137
      2. 2.3.2 TMS320F280025C
      3. 2.3.3 TMS320F280039C
      4. 2.3.4 UCC28740
      5. 2.3.5 UCC27517
      6. 2.3.6 TLV9062
      7. 2.3.7 TLV76733
    4. 2.4 系统设计原理
      1. 2.4.1 交错式 PFC
        1. 2.4.1.1 全桥二极管整流器额定值
        2. 2.4.1.2 电感器额定值
        3. 2.4.1.3 交流电压检测
        4. 2.4.1.4 直流链路电压检测
        5. 2.4.1.5 总线电流检测
        6. 2.4.1.6 直流链路电容器额定值
        7. 2.4.1.7 MOSFET 额定值
        8. 2.4.1.8 二极管额定值
      2. 2.4.2 三相 PMSM 驱动器
        1. 2.4.2.1 PM 同步电机的磁场定向控制
        2. 2.4.2.2 PM 同步电机的无传感器控制
          1. 2.4.2.2.1 具有锁相环的增强型滑模观测器
            1. 2.4.2.2.1.1 IPMSM 的数学模型和 FOC 结构
            2. 2.4.2.2.1.2 IPMSM 的 ESMO 设计
            3. 2.4.2.2.1.3 使用 PLL 的转子位置和转速估算
        3. 2.4.2.3 弱磁 (FW) 和每安培最大扭矩 (MTPA) 控制
        4. 2.4.2.4 具有自动振动补偿功能的压缩机驱动器
        5. 2.4.2.5 具有快速启动功能的风扇驱动器
        6. 2.4.2.6 电机驱动器的硬件必要条件
          1. 2.4.2.6.1 电机电流反馈
            1. 2.4.2.6.1.1 采用三分流器的电流检测
            2. 2.4.2.6.1.2 采用单分流器的电流检测
          2. 2.4.2.6.2 电机电压反馈
  8. 3硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 3.1 入门硬件
      1. 3.1.1 硬件板概述
      2. 3.1.2 测试条件：
      3. 3.1.3 电路板检验所需测试设备
      4. 3.1.4 测试设置
    2. 3.2 固件入门
      1. 3.2.1 下载并安装电路板测试所需的软件
      2. 3.2.2 打开 CCS 内的工程
      3. 3.2.3 工程结构
    3. 3.3 测试步骤
      1. 3.3.1 构建级别 1：CPU 和电路板设置
        1. 3.3.1.1 启动 CCS 并打开工程
        2. 3.3.1.2 构建和加载工程
        3. 3.3.1.3 设置调试环境窗口
        4. 3.3.1.4 运行代码
      2. 3.3.2 构建级别 2：带 ADC 反馈的开环检查
        1. 3.3.2.1 启动 CCS 并打开工程
        2. 3.3.2.2 构建和加载工程
        3. 3.3.2.3 设置调试环境窗口
        4. 3.3.2.4 运行代码
      3. 3.3.3 构建级别 3：闭合电流环路检查
        1. 3.3.3.1 启动 CCS 并打开工程
        2. 3.3.3.2 构建和加载工程
        3. 3.3.3.3 设置调试环境窗口
        4. 3.3.3.4 运行代码
      4. 3.3.4 版本级别 4：完全 PFC 和电机驱动控制
        1. 3.3.4.1  启动 CCS 并打开工程
        2. 3.3.4.2  构建和加载工程
        3. 3.3.4.3  设置调试环境窗口
        4. 3.3.4.4  运行代码
        5. 3.3.4.5  运行系统
        6. 3.3.4.6  调整电机驱动 FOC 参数
        7. 3.3.4.7  调整 PFC 参数
        8. 3.3.4.8  调整弱磁和 MTPA 控制参数
        9. 3.3.4.9  调整快速启动控制参数
        10. 3.3.4.10 调整振动补偿参数
        11. 3.3.4.11 调整电流检测参数
    4. 3.4 测试结果
      1. 3.4.1 性能数据和曲线
      2. 3.4.2 函数波形
      3. 3.4.3 瞬态波形
      4. 3.4.4 MCU CPU 负载、存储器和外设使用
        1. 3.4.4.1 完全实现的 CPU 负载
        2. 3.4.4.2 存储器使用
        3. 3.4.4.3 外设使用
    5. 3.5 将固件迁移至新的硬件板
      1. 3.5.1 配置 PWM、CMPSS 和 ADC 模块
      2. 3.5.2 设置硬件板参数
      3. 3.5.3 配置故障保护参数
      4. 3.5.4 设置电机电气参数
      5. 3.5.5 设置 PFC 控制参数
  9. 4设计和文档支持
    1. 4.1 设计文件
      1. 4.1.1 原理图
      2. 4.1.2 物料清单
      3. 4.1.3 Altium 工程
      4. 4.1.4 Gerber 文件
      5. 4.1.5 PCB 布局指南
    2. 4.2 软件文件
    3. 4.3 文档支持
    4. 4.4 支持资源
    5. 4.5 商标
  10. 5术语
  11. 6修订历史记录
  12. 重要声明
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DESIGN GUIDE

具有数字交错式 PFC、适用于 HVAC 的双电机控制参考设计

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见，TI 提供了译文；由于翻译过程中可能使用了自动化工具，TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性，请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本（控制文档）。

说明

TIDM-02010 参考设计是一款适用于 HVAC 应用变频空调室外机控制器的 1.5kW 双电机驱动和 PFC 控制参考设计，展示了一种对压缩机和风扇电机驱动器以及数字交错式升压 PFC 实现无传感器三相 PMSM 矢量控制的方法，可通过单个 C2000™ 微控制器满足新的效率标准。此参考设计提供的硬件和软件已经过测试，而且可随时使用，有助于加快开发，从而缩短产品上市时间。本设计指南提供了硬件设计详细信息和测试结果。

资源

TIDM-02010设计文件夹
TMS320F2800137、TMS320F280025C产品文件夹
TMS320F280039C产品文件夹
UCC28740、UCC27517、TLV9062产品文件夹
C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK工具文件夹
请咨询我司 TI E2E™ 支持专家

特性

  • 宽工作电压输入范围：165V 至 265V 交流，50/60Hz。
  • 使用一个 C2000 控制器实现对压缩机、风扇电机和数字交错式 PFC 升压转换器的无传感器 FOC 控制。
  • 为压缩机 PMSM 提供高达 1.5kW 的逆变器级、6kHz 开关频率、扭矩补偿和自动弱磁控制。
  • 提供高达 150W 的逆变器级，适用于风扇 PMSM 的 18kHz 开关频率，失速检测、自动恢复、快速启动和过流保护功能。
  • 功率输出高达 1.5kW 的 72kHz 开关频率、数字交错式升压 PFC 控制，在整个工作电压范围内、从中等负载到满负载情况下的功率因数大于 0.95 且 THD 小于 5%，提供具有电压和电流故障保护功能的稳健可调电压输出。

应用

  • 空调室外机
  • 冰箱和冷冻柜
  • 洗衣机和烘干机
  • 电器压缩机

1 系统说明

当今的 HVAC 应用必须满足越来越多的需求，这些需求包括低成本、更小尺寸、更舒适、更强大和更高能效等。众所周知，在 HVAC 应用中，PMSM 比感应电机更受欢迎，并且受欢迎度越来越高。该参考设计为双电机驱动器提供了真正的单芯片解决方案，包括前端交错式升压 PFC。该参考设计说明了如何使用磁场定向控制 (FOC)（无位置传感器）以及采用单个控制器的交错式升压 PFC 实现对两个电机的控制。整个系统可帮助用户减少物料清单中的关键元件数量，减小笨重的无源器件尺寸，提高效率，尽可能减小输入电流谐波含量，尽可能增大功率因数，精确调节直流总线，以及节省开发时间。该参考设计基于 TMS320F28002x 或 TMS320F28003x 实时控制器系列，有助于轻松开始 HVAC 系统室外机控制器设计。

控制多个电机的功能不仅可以降低系统成本，还可以提高总体功率效率和性能。对于操作双电机的应用，通过使用单个 MCU 来控制两个电机，控制器能够协调一个电机相对于另一个电机转速的加速快慢。此外，由于两个电机都从相同的电流源汲取电流，因此也可以对 PFC 实施进行协调以实现更佳结果。

该参考设计提供了支持多种不同类型空调系统的灵活性，以及用于电机驱动和 PFC 之外的更多可选功能的硬件功能，例如与室内机的串行通信、用于电子膨胀阀的步进电机驱动以及用于 HVAC 系统控制的温度传感器。

1.1 关键系统规格

表 1-1 列出了采用 PFC 的双电机控制参考设计规格。

表 1-1 关键系统规格
参数测试条件最小值标称值最大值单位
系统输入特性
输入电压 (VINAC)-165230265VAC
输入频率 (fLINE)-475063Hz
空载待机功耗 (PNL)VINAC = 230V，Iout = 0A-3.0-W
输入电流 (IIN)VINAC = 230V，Iout

= IMAX

-15-A
PFC 转换器特性
PWM 开关频率 (fSW)-607296kHz
输出电压 (VOUT)VIN = 标称值，IOUT = 最小值至最大值360375385V
输出电流 (IOUT)VIN = 最小值至最大值--5A
线性调整率VINAC = 最小值至最大值

，IOUT = 标称值

--2%
负载调整率VINAC = 标称值

，IOUT = 最小值至最大值

--3%
输出电压纹波VINAC = 标称值

，IOUT = 最大值

--15V
输出过电压VINAC = 最小值至最大值--430V
直流链路峰值过电流 (IOCP)VINAC = 最小值--10A
高压线路的输出功率VINAC = 250V--1.8kW
低压线路的输出功率VINAC = 165V--1.2kW
效率 (Ƞ)VINAC = 满载时的标称值-97-%
压缩机逆变器特性
PWM 开关频率 (fSW)--6-kHz
额定输出功率 (POUT)VINAC = 标称值-1.41.5kW
输出电流 (IRMS)VINAC = 标称值-10-A
逆变器效率 (Ƞ)VINAC = 标称值，POUT

= 标称值

-98-%
电机电频率 (f)VINAC = 最小值至最大值20200400Hz
故障保护过流、失速、过热、欠压、过压
驱动控制方法和功能采用三个用于电流检测的分流电阻器的无传感器 FOC
风扇逆变器特性
PWM 开关频率 (fSW)--18-kHz
额定功率 (P)VINAC = 标称值-150200W
输出电流 (IRMS)VINAC = 标称值-1-A
逆变器效率 (Ƞ)VINAC = 标称值，POUT

= 标称值

-98-%
电机电频率 (f)VINAC = 最小值至最大值3050400Hz
故障保护过流、恢复失速、欠压、过压
驱动控制方法和功能采用三个用于电流检测的分流电阻器的无传感器 FOC
系统特点
内置辅助电源VINAC = 最小值至最大值

15V±10%，300mA/12V±10%，500mA/5V±10%，500mA

工作环境开放式框架-102555oC
标准和规范电磁干扰传导和辐EC 61000-3-2 A 类
电路板尺寸长 × 宽 × 高

197mm * 197mm * 55mm

mm2
警告：

TI 建议，该参考设计仅可在实验室环境中运行，不可作为成品供一般消费者使用。

TI 建议，该参考设计仅可由熟悉处理高压电子和机械部件、系统及子系统所存在相关风险的合格工程师和技术人员使用。

高电压！ 电路板中存在可接触的高电压。如电路板的电压和电流处理不当或施加不正确，则可能导致电击、火灾或伤害事故。使用该设备时应特别小心，并采取相应的保护措施，以避免伤害自己或损坏财产。

表面高温！接触会导致烫伤。请勿触摸！电路板上电后，某些元件可能会达到 55°C 以上的高温。由于存在高温，在运行过程中或运行刚结束时，用户不得触摸电路板。

警告： 请勿在无人照看的情况下使该设计通电。

2 系统概述

2.1 方框图

图 2-1 显示了该参考设计的方框图，其中突出显示了主要 TI 元件。

图 2-1 TIDM-02010 具有交错式 PFC 的双电机控制方框图

整个系统可分为七个块：

  • 数字有源 EMI 滤波器
  • 数字交错式 PFC
  • 用于电机 1（压缩机）的三相逆变器
  • 用于电机 2（风扇）的三相逆变器
  • MCU 控制器
  • 用于系统控制的阀门和继电器驱动器
  • 辅助电源

2.2 设计注意事项

该设计使用单个 C2000 控制器实现双电机控制和 PFC。具有高抗噪性能的电流和电压检测解决方案对于精确的电机驱动和 PFC 控制而言是必不可少的。以下部分详细介绍了该设计中使用的检测和驱动电路。硬件设计文件位于 C2000Ware Motor Control SDK 安装目录 <install_location>\solutions \tidm_02010_dmpfc\hardware 下。

2.3 重点产品

本参考设计采用了以下重点产品。以下各节介绍为该参考设计选择器件时应考虑的主要特性。如需了解有关重点器件的更多详细信息，请参阅其各自的产品数据表。

2.3.1 TMS320F2800137

TMS320F280013x 是 C2000™ 可扩展、超低延迟实时微控制器器件系列中的一款器件，专为提高电力电子应用的效率而设计。实时控制子系统基于 TI 的 32 位 C28x DSP 内核，可针对从片上闪存或 SRAM 运行的浮点或定点代码提供 120MHz 的信号处理性能。三角函数加速器 (TMU) 和 VCRC（循环冗余校验）扩展指令集进一步增强了 C28x CPU 的性能，从而加快了实时控制系统关键常用算法的速度。高性能模拟块集成在 F280013x 实时微控制器 (MCU) 上，并与处理单元和 PWM 单元紧密耦合，从而提供出色的实时信号链性能。14 个 PWM 通道均支持与频率无关的分辨率模式，可控制从三相逆变器到高级多级电源拓扑的各种功率级。连接可以通过各种业界通用通信端口（如 SPI、三个 SCI/URAT、I2C 和 CAN）进行，另外还提供了多个引脚复用选项，可实现出色的信号布局。

2.3.2 TMS320F280025C

TMS320F28002x 是 C2000™ 可扩展、超低延迟实时微控制器器件系列中的一款器件，专为提高电力电子应用的效率而设计。实时控制子系统基于 TI 的 32 位 C28x DSP 内核，可针对从片上闪存或 SRAM 运行的浮点或定点代码提供 100MHz 的信号处理性能。三角函数加速器 (TMU) 和 VCRC（循环冗余校验）扩展指令集进一步增强了 C28x CPU 的性能，从而加快了实时控制系统关键常用算法的速度。高性能模拟模块集成在 F28002x 实时微控制器 (MCU) 上，并与处理单元和 PWM 单元紧密耦合，以提供更好的实时信号链性能。14 个 PWM 通道均支持与频率无关的分辨率模式，可控制从三相逆变器到高级多级电源拓扑的各种功率级。通过加入可配置逻辑块 (CLB)，用户可以添加自定义逻辑，还可将类似 FPGA 的功能集成至 C2000 实时 MCU 中。连接可以通过各种业界通用通信端口（如 FSI、SPI、SCI、I2C、PMBus、LIN 和 CAN）进行，另外还提供了多个引脚复用选项，可实现出色的信号布局。

2.3.3 TMS320F280039C

TMS320F28003x (F28003x) 是 C2000™ 可扩展、超低延迟实时微控制器器件系列中的一款器件，专为提高电力电子应用的效率而设计。实时控制子系统基于 TI 的 32 位 C28x DSP 内核，可针对从片上闪存或 SRAM 运行的浮点或定点代码提供 120MHz 的信号处理性能。浮点单元 (FPU)、三角函数加速器 (TMU) 和 VCRC（循环冗余校验）扩展指令集进一步增强了 C28x CPU 的性能，从而加快了实时控制系统关键常用算法的速度。CLA 允许从主 C28x CPU 上大量卸载常见任务。CLA 是一款与 CPU 并行执行的独立 32 位浮点数学加速器。F28003x 支持高达 384KB (192KW) 的闪存，这些闪存分为三个 128KB (64KW) 存储体，支持并行编程和执行。高达 69KB (34.5KW) 的片上 SRAM 也可用于补充闪存。高性能模拟模块集成在 F28003x 实时微控制器 (MCU) 上，并与处理单元和 PWM 单元紧密耦合，以提供更好的实时信号链性能。16 个 PWM 通道均支持与频率无关的分辨率模式，可控制从三相逆变器到功率因数校正和高级多级电源拓扑的各种功率级。通过加入可配置逻辑块 (CLB)，用户可以添加自定义逻辑，还可将类似 FPGA 的功能集成至 C2000 实时 MCU 中。连接可以通过各种业界通用通信端口（如 SPI、SCI、I2C、PMBus、LIN、CAN 和 CAN FD）进行，另外还提供了多个引脚复用选项，可实现出色的信号布局。

2.3.4 UCC28740

UCC28740 隔离式反激电源控制器使用光耦合器来提供恒定电压 (CV)，从而改善对大型负载阶跃的瞬态响应。恒流 (CC) 调节通过一次侧稳压 (PSR) 技术来实现。此器件处理光耦合反馈信息和来自辅助反激式绕组的信息，以实现对输出电压和电流的精准高性能控制。内部采用 700V 启动开关，可动态控制工作状态并定制调制配置文件，支持超低待机功耗，并且不会影响启动时间或输出瞬态响应。UCC28740 中的控制算法使得运行效率满足或者超过适用标准。

 
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