電子水泵是車(chē)載熱管理系統(tǒng)的重要一環(huán)，用于汽車(chē)水冷散熱系統(tǒng)散熱。當(dāng)下市場(chǎng)上的水泵方案以BLDC直流無(wú)刷電機(jī)為主流，絲滑調(diào)節(jié)、 精準(zhǔn)控制和高性價(jià)比成為客戶關(guān)注的重點(diǎn)。
針對(duì)以上市場(chǎng)需求，進(jìn)芯電子推出功率40-200W/12V電子水泵，采用PWM/LIN通訊方式進(jìn)行調(diào)速和故障反饋。使用單電阻弦波方案，電路簡(jiǎn)單，具備控制穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)芯電子可提供基于本公司ADM16F03A2 DSP作為主控芯片的高性價(jià)比電子水泵控制板方案。
圖1 產(chǎn)品樣機(jī)圖
ADM16F03A2簡(jiǎn)介
ADM16F03A2是面向無(wú)刷電機(jī)控制的16位DSP改進(jìn)型，集成LDO和6NMOS預(yù)驅(qū)模塊，搭載150MHz主頻16位DSP處理核+加速運(yùn)算單元、事件管理器、SPI和SCI模塊、12位ADC， 并內(nèi)置運(yùn)算放大器、電壓比較器和LIN收發(fā)器；可構(gòu)成控制核心，支持有感、無(wú)感、方波、弦波等多模式無(wú)刷電機(jī)控制。下表是ADM16F03A2電機(jī)控制方面的資源簡(jiǎn)介。
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主架構(gòu) |
16位定點(diǎn)DSP |
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主頻 |
150MHz |
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存儲(chǔ)資源 |
8KB SARAM、64KBFlash |
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單電源供電 |
4.5-40V |
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通訊接口 |
SCI(配置成LIN接口) |
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外設(shè) |
六路NMOS Pre-Driver+4TCON+3CAP+QEP+延時(shí)濾波+運(yùn)算加速單元（除法+開(kāi)方+反正切+帕克變換+32位乘法移位 |
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模擬外設(shè) |
OPA+3PGA+5比較器+溫度傳感器 |
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集成化配置 |
12V-LDO、6NMOS預(yù)驅(qū)、LIN-PHY |
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電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 |
有感/無(wú)感方波 有感/無(wú)感弦波 |
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封裝 |
QFN56 封裝 |
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溫度范圍 車(chē)規(guī)認(rèn)證 |
-40-125°C AEC-Q100 |
表一 ADM16F03A2電機(jī)控制相關(guān)資源
同時(shí)， ADM16F03A2支持JTAG在線仿真，支持串口SCI方式的最低僅需四線的快速燒錄模式。以下為ADM16F03A2芯片引腳定義排布圖：
圖2 芯片引腳定義排布圖
ADM16F03A2應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
ADM16F03A2是一款高度集成的高性能BLDC/PMSM控制器，封裝為QFN56，用戶在設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性價(jià)比，ADM16F03A2內(nèi)部?jī)?nèi)置六路 NMOS Pre-Driver、運(yùn)算放大器、PGA、比較器、高速ADC、SCI、SPI和LIN等模塊。同時(shí)，采用高性能16位CPU,內(nèi)嵌 64KB FLASH , 最高工作頻率為150MHz，可滿足高性能無(wú)刷電機(jī)控制的應(yīng)用要求，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件成本。適用于BLDC/PMSM電機(jī)方波、SVPWM/SPWM、FOC 驅(qū)動(dòng)控制。
硬件模塊介紹
電路模塊主要包括： 輸入防反母線電容輸入部分、ADM16F03A2最小系統(tǒng)、功率橋電路、ADC母線采樣電路、單電阻采樣運(yùn)放采樣電路、自舉電路和PWM/LIN通訊反饋電路。
? 輸入防反母線電容輸入部分
輸入通過(guò)N管，實(shí)現(xiàn)防反功能。使用CE1、L1和CE2，構(gòu)成π型濾波。能有效減少電源的干擾。
圖3 防反母線電路
? ADM16F03A2最小系統(tǒng)
ADM16F03A2最小系統(tǒng)如下圖所示，包含JTAG接口、串口、SPI、PWM模塊、ADC模塊等。
系統(tǒng)自帶的運(yùn)放OP1可以通過(guò)外圍電阻配置為差分模式用于母線電流采樣，運(yùn)放的輸出結(jié)果OP1OUT可接至COMP0 做硬件過(guò)流保護(hù)，COMP0內(nèi)部可以設(shè)置不同的比較電平，一旦觸發(fā)閾值，可直接封鎖PWM信號(hào)。
當(dāng)需要離線燒錄程序時(shí)，通過(guò)5V、TX、RX、IOPE4、GND信號(hào)測(cè)試焊盤(pán)，借助進(jìn)芯的離線燒錄工具可實(shí)現(xiàn)快速的脫機(jī)燒錄。
圖4 芯片及接口原理圖
? 功率橋電路
功率橋電路采用上下管均為NMOS的配置，總計(jì)6個(gè)NMOS組成三相H半橋驅(qū)動(dòng)電路。
單采樣電阻0.005R，通過(guò)差分走線至ADM16F03A2的OP1的獨(dú)立運(yùn)放電路進(jìn)行運(yùn)放輸入到芯片口采樣進(jìn)行運(yùn)算。
圖5 功率橋電路原理圖
? ADC母線電壓采樣電路
ADC采樣母線采樣電路，母線電壓的值進(jìn)行分壓送到芯片AD口，參與到FOC的運(yùn)算。
圖6 AD母線電壓采樣原理圖
? 單電阻采樣運(yùn)放采樣電路
通過(guò)內(nèi)部獨(dú)立運(yùn)放OP1組進(jìn)行差分運(yùn)放15倍，送到A0口用做過(guò)流保護(hù)，送到A4口進(jìn)行恒功率控制。
圖 7 運(yùn)放部分電路
? 自舉電路
由芯片內(nèi)部輸出VDRV的12V電壓，給到自舉電路部分，讓上橋驅(qū)動(dòng)電壓抬升，以便可以控制上橋。
圖8 自舉電路部分
? PWM/LIN通訊反饋電路
芯片內(nèi)部集成LIN芯片，內(nèi)部兼容識(shí)別PWM，可以通過(guò)輸入PWM/LIN進(jìn)行通訊調(diào)速和反饋故障。使能LIN_EN引腳，來(lái)實(shí)現(xiàn)打開(kāi)關(guān)閉LIN通訊。
圖9 PWM/LIN通訊電路
方案描述
采用單電阻弦波，電路簡(jiǎn)單，成本低。無(wú)感FOC，功率閉環(huán)、速度閉環(huán)。各項(xiàng)保護(hù)齊全（過(guò)欠壓、過(guò)流、堵轉(zhuǎn)、缺相、功率）等特點(diǎn)。
產(chǎn)品參數(shù)
電壓：DC12V
功率：40-200W
多種保護(hù)措施：過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、缺相保護(hù)、功率保護(hù)、啟動(dòng)保護(hù)等。
本方案使用無(wú)感單電阻FOC算法，母線電壓ADC檢測(cè)，通過(guò)PWM/LIN進(jìn)行控制不同的轉(zhuǎn)速及故障反饋功能。擁有帶載能力強(qiáng)、噪聲小、波形控制穩(wěn)定等特點(diǎn)。
技術(shù)支持
進(jìn)芯電子可為客戶提供以上方案的原理圖、PCB參考板圖、源代碼、以及方案所對(duì)應(yīng)的軟硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)支持，需進(jìn)一步了解方案詳情，歡迎致電0731-88731027。
