EVAL_6EDL7141_FOC_3SH 1 kW評估板：助力三相無刷直流電機驅(qū)動設計

在電子工程師的日常工作中，高效且可靠的電機驅(qū)動設計是一個重要的課題。今天，我們就來詳細探討一下英飛凌的EVAL_6EDL7141_FOC_3SH評估板，它在電池供電的三相無刷直流（BLDC）電機驅(qū)動方面有著出色的表現(xiàn)。

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一、評估板概述

EVAL_6EDL7141_FOC_3SH評估板采用了MOTIX? 6EDL7141三相電機控制柵極驅(qū)動IC，搭配板載的XMC?微控制器、OBD以及IST011N06NM5 OptiMOS? 5 60 V功率MOSFET，專為電池供電應用而設計。MOTIX? 6EDL7141集成了降壓轉(zhuǎn)換器，可為數(shù)字邏輯提供3.3 V或5 V電源。板上為每個橋逆變器部分配備了一個0.5 mΩ的低端分流電阻，用于無傳感器FOC操作，同時還設有霍爾傳感器接口，方便用戶開發(fā)基于霍爾傳感器反饋的FOC算法。此外，評估板還配備了用于逆變器過流保護（OCP）的保險絲和反極性保護組件，并且集成了溫度傳感器和用戶LED，進一步擴展了其功能。

二、重要注意事項與安全預防措施

（一）重要注意事項

英飛凌提供的評估板和參考板主要用于演示和評估目的，并非商業(yè)化產(chǎn)品。在設計過程中雖然考慮了環(huán)境條件，但這些板子僅按照文檔描述進行了測試，在安全要求、整個工作溫度范圍或使用壽命內(nèi)的制造和操作方面并未經(jīng)過全面認證。它們僅在典型負載條件下進行功能測試，在退貨材料分析（RMA）、工藝變更通知（PCN）和產(chǎn)品停產(chǎn)（PD）等方面與常規(guī)產(chǎn)品的處理流程不同。因此，評估板和參考板不能用于可靠性測試或生產(chǎn)，可能不符合CE或類似標準，用戶需確保其操作符合所在國家的相關要求和標準。

（二）安全預防措施

在使用評估板時，務必注意以下安全事項：

1. 評估板的直流母線電位最高可達100 V DC，連接時要確保極性正確，使用示波器測量電壓波形時需使用高壓差分探頭。
2. 評估板包含直流母線電容器，主電源移除后需要時間放電，在對驅(qū)動系統(tǒng)進行操作前，需等待五分鐘，確保電容器放電至安全電壓水平。
3. 測試時評估板連接到電網(wǎng)輸入，使用示波器測量電壓波形時必須使用高壓差分探頭。
4. 在斷開或重新連接電線、進行維護工作之前，要先移除或斷開驅(qū)動的電源，并等待五分鐘讓母線電容器放電。
5. 評估板的散熱器和器件表面在測試過程中可能會發(fā)熱，操作時需采取必要的防護措施。
6. 只有熟悉驅(qū)動、電力電子和相關機械的人員才能對系統(tǒng)進行規(guī)劃、安裝、調(diào)試和維護。
7. 評估板包含對靜電放電（ESD）敏感的部件和組件，在安裝、測試、維護或修理時需采取靜電控制措施。

三、評估板參數(shù)與技術數(shù)據(jù)

這些參數(shù)為工程師在設計和應用評估板時提供了重要的參考依據(jù)。

四、主要特性

（一）功率器件與輸入電壓

三相逆變器的每個橋臂采用單個sTOLL功率MOSFET，輸入電壓標稱值為36 V，最大值為42 V，能夠滿足大多數(shù)電池供電應用的需求。

（二）功率輸出

評估板具有1000 W的連續(xù)功率輸出能力，搭配散熱器時，峰值功率可達1500 W（持續(xù)2分鐘），能夠為電機提供充足的動力。

（三）保護功能

配備了用于OCP的保險絲和反極性保護組件，有效保護評估板和電機免受電流過大和極性錯誤的影響。

（四）電源供應

評估板可通過集成的降壓轉(zhuǎn)換器和LDO為數(shù)字邏輯提供3.3 V或5.0 V的電源，方便與各種數(shù)字電路集成。

（五）調(diào)試與控制

板載的調(diào)試器采用SEGGER J-Link技術，結(jié)合英飛凌的電機控制GUI，為工程師提供了便捷的調(diào)試和控制接口。

（六）控制方式

硬件支持基于霍爾傳感器或反電動勢的無刷直流電機控制，同時也支持FOC控制，為不同的應用場景提供了靈活的選擇。

五、硬件設計

（一）整體布局

評估板的PCB分為三個邏輯部分：OBD部分、數(shù)字控制部分和功率逆變部分。底部逆變器部分安裝了鋁制散熱器，散熱器與MOSFET之間使用導熱絕緣材料（TIM）隔離，避免短路并提高散熱效率。

（二）電源供應

集成的降壓轉(zhuǎn)換器可配置為7、10、12或15 V，用于驅(qū)動電荷泵和內(nèi)部集成的LDO，頻率可配置為500 kHz或1 MHz。LDO可配置為提供5 V或3.3 V電源，最大輸出電流為300 mA。在本評估板中，降壓轉(zhuǎn)換器配置為輸出12 V（500 kHz），LDO為XMC1404微控制器供電時設置為5 V，可通過硬件電阻R44或GUI設置進行更改。

（三）柵極驅(qū)動器

采用英飛凌的MOTIX? 6EDL7141智能柵極驅(qū)動IC，用于驅(qū)動三相逆變器的MOSFET，其柵極驅(qū)動架構如圖所示，為電機驅(qū)動提供了穩(wěn)定可靠的控制。

六、控制與固件

（一）磁場定向控制（FOC）

評估板采用了FOC控制方法，也稱為矢量控制。FOC通過生成三相正弦信號，在高功率應用中最大限度地提高逆變器的效率。英飛凌的FOC算法需要實時反饋電流和轉(zhuǎn)子位置信息，通過逆變器每條腿上的單個分流器提供相電流反饋。同時，評估板也支持基于霍爾傳感器反饋的FOC算法，用戶可根據(jù)需求進行開發(fā)。此外，英飛凌的專有FOC算法參數(shù)可進行調(diào)整，實現(xiàn)從V/F開環(huán)到閉環(huán)FOC的平滑過渡。

（二）PID調(diào)節(jié)

評估板的電機控制GUI提供了PID調(diào)節(jié)選項，用于優(yōu)化系統(tǒng)的控制和反饋。P-I控制器是一種常用的反饋控制機制，通過不斷計算設定值與實際測量值之間的誤差，將誤差值分別輸入比例計算器和積分計算器，然后將結(jié)果相加得到控制值，用于調(diào)整輸出以匹配設定值。目標是優(yōu)化KP和K1的值，使系統(tǒng)在速度變化時實現(xiàn)最小的延遲和過沖。

七、系統(tǒng)操作

（一）系統(tǒng)啟動

評估板只需一個36 - 42 V的電源即可啟動，MOTIX? 6EDL7141內(nèi)部集成的降壓轉(zhuǎn)換器和LDO將提供MOSFET柵極電壓和數(shù)字邏輯電壓。電機速度可通過調(diào)節(jié)硬件POT1或通過GUI軟件進行控制，柵極驅(qū)動器的參數(shù)可使用BPA電機控制GUI進行編程和修改。

（二）運行波形

在3700 RPM、36 V輸入電壓和1000 W輸入功率的條件下，給出了逆變器開關波形的詳細信息。啟動時，GUI可配置為從開環(huán)開始，達到初始用戶配置的電機速度后過渡到閉環(huán)控制。同時，也可通過GUI將啟動方法配置為直接FOC控制。

（三）功率測量

在輸入功率為500 W、36 V輸入電壓的情況下進行了輸入和輸出測量，結(jié)果顯示總輸入功率為1071.19 W，總輸出功率為487.5 W，效率為[具體效率值]。

（四）熱測量

在輸入功率為1000 W、36 V輸入電壓的條件下運行12分鐘后，對評估板的各個部件進行了熱測量。結(jié)果顯示，MOSFET、分流器和IC等部件的溫度在可接受范圍內(nèi)，表明評估板的散熱設計能夠有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

八、原理圖與PCB布局

（一）原理圖

文檔提供了MOTIX? 6EDL7141、電池輸入和逆變器、板載調(diào)試器以及XMC1404等部分的原理圖，為工程師進行電路分析和故障排除提供了詳細的參考。

（二）PCB布局

評估板的PCB采用六層設計，每層厚度為1.6 mm，銅厚為2 oz，尺寸為76.2 x 101.6 mm，材料為FR4。PCB邏輯上分為三個區(qū)域：數(shù)字調(diào)試部分、數(shù)字控制部分和三相逆變部分。布局優(yōu)化了FOC電流傳感，將CS路徑布線到中間層，并與相鄰層的接地層配合，減少了電氣噪聲的影響。同時，采用了過孔填銅（VIPPO）技術，提高了垂直散熱性能和功率耗散能力。

（三）物料清單

文檔提供了評估板的完整物料清單，包括電容器、二極管、電阻器、IC、MOSFET等各種元件的詳細信息，方便工程師進行采購和替換。

九、總結(jié)

EVAL_6EDL7141_FOC_3SH評估板為電池供電的三相無刷直流電機驅(qū)動設計提供了一個全面、高效且可靠的解決方案。其豐富的功能、靈活的控制方式和便捷的調(diào)試接口，為工程師在電機驅(qū)動領域的開發(fā)和應用提供了有力的支持。在實際應用中，工程師可根據(jù)具體需求對評估板進行定制和優(yōu)化，以滿足不同的應用場景。同時，在使用過程中務必嚴格遵守重要注意事項和安全預防措施，確保系統(tǒng)的安全可靠運行。

以上就是關于EVAL_6EDL7141_FOC_3SH評估板的詳細介紹，希望對各位電子工程師有所幫助。如果你在使用過程中有任何問題或經(jīng)驗分享，歡迎在評論區(qū)留言交流。