基于TI C2000系列的变频洗衣机解决方案

sherley

基于TI C2000系列的变频洗衣机解决方案 [复制链接]

在注重节能环保的今天，变频概念对一般大众已经不陌生。各种变频家电包括空调、冰箱、洗衣机等等已经大量上市，今天要向大家介绍一个来自WPG友尚的变频洗衣机解决方案。

何为变频？传统的交流电机使用简单，应用广泛，但是有一个缺点是只能实现恒定速度，这会浪费大量能源。据研究统计，电机所消耗的能耗占整体能耗的60%-70%，所以降低电机的能耗非常具有现实意义。而直流电机因为能够改变和控制速度，可以提高效率节省能源，越来越受到重视。变频产品里最重要的是电机制造技术和电机的驱动控制。今天我们介绍一种最典型的无刷直流电机（BLDC）的驱动和控制。

无刷直流电机是永磁式同步电机的一种，电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。无刷直流电机的本质为采用直流电源输入，并用逆变器变为三相交流电源，通过驱动器控制电动机的转动和速度。无刷直流电机有点像用数字电子方式控制交流电机，综合了直流电机和交流电机的优点。

本文介绍的变频洗衣机解决方案即是由WPG友尚提供的一款外转子BLCD变频洗衣机驱动控制方案。友尚集团隶属于大联大控股（WPG）是亚太地区最大的半导体零组件供应商，友尚集团不仅代理元器件，而且其研发设计部门能提供各种整合解决方案。WPG友尚的BLCD变频洗衣机驱动控制方案由TI C2000系列微控制器搭配智能功率模组（SPM）驱动无刷直流电机（BLDC），电路精简，实现高效节能低噪声的变频洗衣机控制。 变频洗衣机属于高端产品，TI公司的C2000系列微控制器具有高速信号处理和数字功能所需的体系结构，非常适合做电机控制。

TI的高端洗衣机系统框图

友尚的变频洗衣机方案即是以TMS320F28023为核心的全数字电机控制系统，搭配智能功率模组（SPM），极大地简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，降低了成本。

友尚BLDC变频洗衣机框图

TMS320F28023作为主控制器，用于处理采集到的数据和发送控制命令。通过读取直流电机上霍尔元件（两路H1，H2）的信号，来确定转子的位置；然后依据转子的位置改变PWM信号，即改变直流电机驱动电路（智能功率模组）中功率管的导通顺序，实现对电机转速和转动方向的控制。智能功率模组（SPM）会返回电流检测信号以检测直流电机相电流。TMS320F28032同时通过串行通信与上位机的通讯，为了提高可靠性和安全性，系统还有故障检测单元，当发生过压、过流、欠压、超重、SPM保护等情况时会发出故障信号，关闭功率管输出，停止电机运转。

来看看BLDC变频洗衣机驱动控制器的主要参数：

• 用途 与内置2路霍尔传感（Hall）的外转子BLDC电机配套，用于波轮变频洗衣机的驱动控制和保护
• 输入电源 AC220V±20% 或 AC110 V±20% （50/60Hz）
• 洗衣机规格 5KG~7KG
• 最大输入电流 6A（RMS）
• 最大输出功率 额定500W，峰值800W
• 正弦波PWM驱动
• 最大输出电流 5A （RMS）
• 通信方式 主从式非同步通信
• 保护：过流保护、超载、过压保护、欠压保护、电机失速等
• 适用电机型号 BLDCM（內置2路霍尔传感）
• 洗涤最高900rpm/S；脱水最高300rpm/S
• 转速精度 10rpm
  

下面图是友尚BLDC变频洗衣机的电机驱动控制板实物图，一台洗衣机的核心控制板只有这么小一块。一眼看上去整个驱动板大部分是电源处理部分，我们来了解下看看驱动板的细节。

驱动控制板外观

首先看看接口部分，驱动板导线捆绊在一起，可以看到3个AMP的连接头。驱动板接口主要是电源、串行通信、霍尔信号以及电机驱动信号。

驱动板接口

电机驱动接口：

• 橙色   U相
• 白色   W相
• 红色   V相
  

电源线接口：

• 棕色   通信地（GND）
• 红色   通信电源（VCC）
• 蓝色   ACL（AC220V）
• 灰色   通信接收（RXD）
• 白色   通信发送（TXD）
• 黄色   ACN（AC220V）
  

电机霍尔检测接口：

• 黑色  +5V
• 蓝色  Hall 2
• 紫色  GND
• 绿色  Hall1
  

该方案适配的电机是内置两路霍尔（Hall）感应的BLDC电机，应该是为了降低成本，在电路板上其实是预留了3路霍尔感应的输入。

控制板的很大一部分面积都是电源转换电路，其实变频就是一个交流转直流，然后直流在再换成交流的过程。控制板的电源管理可以分为3部分，一是交流转直流；还有一部分是直流开关电源产生板上芯片所需电源；还有一部分直流逆变交流部分集成在了SPM模块。 交流转直流的部分最重要的是整流桥，整个系统支持110V~220V交流电，额定功率为500W。考虑到预留一定额度，整流桥选用了600V/15A的KBJ1506型号。有点奇怪的是电路的滤波电容用了2个250V/680uf电解电容串联构成，也许是为了保持一些灵活度。交流转换直流驱动板上的芯片工作所需的稳定直流电压有15V、5V以及3.3V。这些需要通过开关电源产生。板上的开关电源电路选择了ST公司的固定频率AC-DC转换器VIPER12A，其中集成了一个电流模式PWM控制器和高压电源MOSFET。输出15V以及5V电压。开关电源Viper12A是一款低功耗的开关型AC-DC电源转换器，适用于85V~265V AC电源转换，特别适用于电源适配器、电视和监视器以及马达控制的辅助电源。内部集成了电流型PWM控制器，在芯片反馈端（FB）使用了一个光耦TLP781。微控制器TMS320F28023的工作电压为3.3V，因此板上5V通过AMS1117-33转化为3.3V电压。微控制器友尚变频洗衣机BLCD电机驱动方案的核心采用了TI的C2000系列微控制器TMS32F28023。TMS32F28023是TI的C28x Piccolo系列微控制器，采用了C28x处理器内核，因此代码与以往基于C28x的代码相兼容，相比来说进一步提高了模拟集成度。TMS32F28023内部集成了一个稳压器，芯片的外围供电更简单，只需要一路3.3V电压。TMS32F28023特别适合白色家电以及开关电源等应用，其主要特点：

• 高效 32 位中央处理单元 (CPU) (TMS320C28x)
• 3.3V 单电源
• 集成型加电和欠压复位
• 多达 22 个复用通用输入输出 (GPIO) 引脚
• 三个 32 位 CPU 定时器
• 片载闪存、SRAM、一次性可编程 (OTP) 内存
• 串行端口外设 (SCI/SPI/I2C)
• 增强型控制外设：增强型脉宽调制器 (ePWM)、高分辨率 PWM (HRPWM)、增强型捕捉 (eCAP)、模数转换器 (ADC)、片上温度传感器、比较器
• 38 引脚和 48 引脚封装
  

微控制器TMS32F28023驱动板上采用了38引脚的TSSOP封装微控制器负责与上位机的通讯和驱动SPM模块。TMS32F28032微控制器捕捉霍尔信号，确定电机转子位置然后发PWM控制信号驱动功率管（IGBT）微控制器PWM包括六路信号，分别是三相（U、V、W）的高端和低端。由此可以控制电机转子驱动和转速。微控制器与外部上位机通信是主从非同步通信，通讯信号通过2个光电隔离器（TLP781）进行了隔离，实现不同电压间信号传输，提高了通讯信号的抗干扰。驱动板上还有一个重要元件是智能功率模组（SPM），它实现了直流逆变为三相交流驱动电机。友尚的这款变频洗衣机方案智能功率模组采用了Fairchild公司的FNB41060 SPM 45 系列模块，它是Fairchild最新推出的提供紧凑和高性能的三相逆变器驱动方案，主要用于低功耗的应用如洗衣机和工业风扇。在一个独立的封装里结合了低损耗IGBT和优化的栅极驱动，同时集成了欠压、过流保护输入、温度监控等等。三个独立的发射极开路引脚为低侧IGBT进行三路相电流检测功能。内置自举二极管和专用VS引脚使PCB布局方便。主要特点：

• 600V-10A三相驱动包括控制的IGBT逆变桥和保护电路
• 简单PCB布局以及内置自启动二极管和直接输出脚
• 三路独立的发射极开路为低侧IGBT三相电流检测
• 单极地Single-grounded自启动电源
• 内置热敏电阻器用于温度检测
• 隔离等级2000Vrms/分钟
  

我们去掉导热块可以看到芯片的封装。智能功率模组SPM由图中可以看出SPM模块外围电路确实简单，PCB布局也很方便， 芯片低侧IGBT三个独立的发射极开路引脚为三路相电流检测提供了可能，外部连接了分流电阻。从SPM输出的电流检测信号需要进过放大处理送入微控制器，这里采用了运放LMV324。LMV324集成了4路轨到轨输出的运算放大器。运放LMV324友尚这款变频洗衣机方案主要包括以上一些功能模块，其最大的特点就是采用了智能功率模组SPM，这样整个系统的数字电路部分非常简单。SPM模块集成度高，外围电路简单。采用SPM方案设计比以前要简单很多，外围电路减少，PWM驱动隔离、功率管电路以及电流检测都集成在一个封装里，PCB的设计也相对简化。智能功率模组有的也称为IPM（Inteligent Power Module），包括ST、ON semi都有类似的产品，增加了方案的选择余地。驱动控制板可以做成一个小黑盒子，这样成品洗衣机整个系统设计时也很方便。而且SPM智能功率模组的选择也比较多。驱动板面积最大的部分还是开关电源部分，根据不同的需求，板卡设计还能精简，尺寸能做到更小。变频洗衣机驱动控制模块小结挑选洗衣机总能听到“变频”，“滚筒”的概念，这些属于洗衣机里高端产品。友尚这款波轮变频洗衣机BLDCM驱动方案却是结合了波轮和变频的概念。虽然无刷直流电机的控制很复杂，但是这款友尚变频洗衣机方案采用了TI的C2000系列微控制器和智能功率模组搭配，电路简单，使用成熟。其只支持2路霍尔感应的无刷直流电机，充分考虑了成本控制，性价比较高，很适合中端的变频洗衣机产品。更多的相关解决方案请参考大联大智能产品解决方案，提供各种整合的解决方案， 购买方案的元器件，还可以直接到WPG Cloud进行在线沟通交易。

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在吗？有代理么？