无感FOC风机控制硬件设计指南.pdf

风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大——全 国风机、水泵电机装机总容量约35,000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40 ％左右。  现有运行中的风机和水泵，采用变频器和节能控制的，只占一定比例，还有很大的 节能潜力（约300～500亿kW·h/年），等效为5个1000MW的大型火力发电厂的 年发电量。  根据《中华人民共和国实行能源效率标识的产品目录》，从空调等家电开始，对电 器设备逐步进行能耗识别，淘汰低能耗产品。比如： ― 第五批：自动电饭锅、交流电风扇、交流接触器和容积式空气压缩机共4类产品。 ― 第六批：电力变压器、通风机。  国家对风机水泵产品的能耗要求逐步提高，促使风机水泵类制造企业，生产高效率 低能耗的电机和控制器。 无感FOC风机控制硬件设计是当前电机控制领域的一个重要课题，特别是在节能减排的大背景下，具有显著的经济和社会效益。无感（Sensorless）FOC（Field Oriented Control，磁场定向控制）技术是一种针对无刷直流电机（BLDC）或永磁同步电机（PMSM）的先进控制策略，它无需使用位置传感器，通过算法估算电机状态，从而实现高效、精确的电机控制。 1. 背景意义： 风机和水泵作为重要的动力设备，其能耗占据了全国电力消耗的相当比例。国家政策鼓励并推动高效率、低能耗电机的发展，逐步淘汰低效产品。无感FOC技术的应用，不仅能够显著降低风机和水泵的能耗，还能减少维护成本，提升设备的可靠性和寿命。 2. 风机分类： 风机按照工作原理主要分为离心风机、轴流风机和回转风机。其中，离心风机适用于需要改变气流方向的情况，轴流风机则适合于沿直线方向输送气流，而回转风机则通过转子的旋转来改变气室容积。此外，根据功率等级，风机分为大型、中型和小型，不同类型的风机对应不同的应用场景和驱动方式。 3. 设计对象： 本文聚焦的是基于英飞凌XMC1302微控制器的无感FOC风机电机控制器设计，目标是用于小型风机，特别是那些空间有限、成本敏感且对可靠性有较高要求的场合。例如，空调压缩机和抽油烟机电机。控制器采用Cortex-M0内核的XMC1302，通过无位置传感器的FOC技术，实现对24V/100W功率级别的电机控制。 4. 硬件设计： 无感FOC风机控制硬件主要包括控制板和功率板两部分。系统采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）进行调制，通过单母线电阻和双/三桥臂电阻取样进行电流采样，并采用运算放大器进行电流放大。调制频率设定在16KHz以上，最大转速可达9000转（针对4对极电机）。硬件还具备上位机软件调试、过流、欠压和过压保护等功能。控制板包含MCU、电机位置接口（POSIF，预留了霍尔传感器接口）、SPI通讯接口、RS-232接口以及仿真调试接口。 无感FOC风机控制硬件设计是实现风机高效节能运行的关键，它利用先进的控制算法和优化的硬件结构，实现了对小型风机电机的精准、无传感器控制，有助于提高设备能效，响应国家的节能减排政策。同时，这种设计还考虑了实际应用中的空间限制和成本因素，提升了产品的竞争力和市场适应性。