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隨著全球能源的愈發(fā)緊張，世界各國除了在新能源開發(fā)上投入巨資外，對于現(xiàn)有能源的有效利用，也到了前所未有的程度。據(jù)權(quán)威資料統(tǒng)計，電機對能源的消耗要占到總能源消耗的80%以上，可見提高電機系統(tǒng)的效率對于節(jié)約能源的重要意義。而家電的節(jié)能是與我們生活息息相關(guān)的，這包括空調(diào)，洗衣機，冰箱等。那如何提高他們的效率呢？對于家電設(shè)計工程師來說，這是一個艱巨的，但不得不面對的問題。
日本早在2000年變頻空調(diào)已占空調(diào)市場的90％以上，變頻冰箱占60％，變頻洗衣機占30～40％，歐美也遠遠的走在我們前面。我國變頻家電起步較晚，到2004年才有第一臺采用180度技術(shù)的變頻空調(diào)誕生。
隨著2008年9月1日的中國變頻空調(diào)能效國標(biāo)的推出，家電行業(yè)全面變頻的時代也即將來臨。傳統(tǒng)家電一般采用定頻設(shè)計，選用低成本、低效率的感應(yīng)電機。而變頻家電是采用變頻設(shè)計，很多都選用正弦波的無刷直流電機（也叫永磁同步電機PMSM），這種電機具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、損耗小以及控制性能好等優(yōu)點。
目前，最流行的變頻技術(shù)應(yīng)該算基于磁場定向控制（FOC）的矢量控制技術(shù)。但該算法實現(xiàn)很復(fù)雜，且實時性要求較高。傳統(tǒng)的工程應(yīng)用中一般都采用DSP技術(shù)以軟件的方式來實現(xiàn)，該方法靈活，但開發(fā)周期長，對人員的知識面和要求都相當(dāng)?shù)母?。這些因素使得開發(fā)一款優(yōu)良的變頻家電困難重重，但節(jié)能的需要又必須使得我們不能不做相應(yīng)的技術(shù)升級。
高性能電機驅(qū)動系統(tǒng)有向全硬件或者半硬半軟方向發(fā)展的趨勢，即基于FPGA或者ASIC的方式。傳統(tǒng)的DSP和MCU也都在其器件中添加了電機控制專用模塊就是個很好的例子。
國際整流器公司（IR）就在這樣的背景下開發(fā)了數(shù)字電機控制專用芯片。其中IRMCF3XX就是其中一個系列，它的一個重要目標(biāo)市場就是變頻家電，可以說是為其量身定做的。
本文將主要討論涉及變頻家電的一些技術(shù)問題，同時介紹IRMCF3XX系列產(chǎn)品和使用其中的IRMCF341設(shè)計直流變頻空調(diào)控制器的過程。
變頻的相關(guān)技術(shù)背景
直流變頻與交流變頻：這種變頻方式的區(qū)分主要是針對控制對象而言的。傳統(tǒng)的壓縮機大都采用電容運行的感應(yīng)電機，交流變頻主要是對感應(yīng)電機的調(diào)頻調(diào)壓控制，這種控制方式最大的特點是算法相對簡單，但其效率、力矩脈動和噪聲都只是在一定程度上得到改善。而直流變頻則是指壓縮機采用正弦波的直流無刷電機，這種電機具有更好的效率，更小的力矩脈動，更高的功率密度，再配合好的控制方式，如磁場定向控制（FOC）等，將會最大程度上的改善人們對空調(diào)的感受。比如可以達到超靜音，超節(jié)能，超舒適的體驗。而所謂全直流變頻是壓機和風(fēng)機都采用無刷直流電機。
120度和180度：針對目前流行的直流變頻技術(shù)，有120度和180度控制方式的不同，這也就是我們通常說的方波驅(qū)動和正弦波驅(qū)動的差別。120度控制方式就是方波驅(qū)動，任意時刻三相中只有兩相導(dǎo)通，一相截止，表現(xiàn)在驅(qū)動波形上就是任意一個電周期里，每相都只導(dǎo)通120度。這種方式最常見的是采用六拍換向控制設(shè)計，算法很簡單，容易實現(xiàn)。缺點是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化大的時候，效率就低，而且轉(zhuǎn)矩特性差，甚至丟速，在低速段容易抖動。該方式在早期的變頻家電中有采用過，但因為其顯著的缺點，現(xiàn)在逐漸被180度方案所取代，這是必然的趨勢。
180度控制方式也有不同的類型，有采用SPWM技術(shù)的正弦波控制，也有采用FOC的SVPWM矢量控制。按照發(fā)展的趨勢，基于FOC的矢量控制將成為180度方案的主流，也是目前市場上最為先進的變頻控制技術(shù)。
磁場定向控制（FOC）：FOC首先是由德國西門子公司的F.Blaschke等人于1972年提出來的，它的基本思想是將交流電機（PMSM從原則上講是一種交流電機）模擬成直流電機的控制規(guī)律進行控制。一般是通過檢測或者估計電機轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣電機的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)。對于永磁電機來說，轉(zhuǎn)子磁通的位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，通過檢測和估計轉(zhuǎn)子實際位置就可以得到轉(zhuǎn)子磁通位置?？梢?，PMSM矢量變換控制的實質(zhì)就是對定子電流空間矢量的控制。將該定子電流在坐標(biāo)上分解成互相垂直，彼此獨立的矢量id（勵磁電流分量）和iq（轉(zhuǎn)矩電流分量）。當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子確定之后，電機的轉(zhuǎn)矩就可以通過id和iq來調(diào)節(jié)，這就變得和普通的直流有刷電機一樣易于控制了。但由于該算法涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和逆變換、PI調(diào)解、轉(zhuǎn)速和位置估計以及SVPWM等諸多模塊，軟件設(shè)計上有較大的難度，對微處理器件、開發(fā)人員及開發(fā)周期都要求較高。
無傳感器技術(shù)：無傳感器的好處不言而喻，該技術(shù)也是目前電機控制領(lǐng)域的一個熱點。和方波驅(qū)動BLDC的方式不同，對正弦波驅(qū)動的PMSM來說，靠簡單的反電動勢過零和母線電壓比較不能滿足其需求，PMSM需要結(jié)合電機模型，同時不斷的檢測電流和計算電壓，采用較為復(fù)雜的電流觀測器來實現(xiàn)的。但歸根結(jié)蒂還是需要反電動勢的，這也就是一般無傳感器技術(shù)的瓶頸所在，電機有低速的限制。速度太低，反電動勢將非常的小，整個系統(tǒng)的誤差就變得不可接受。
單電阻采樣：單電阻采樣是IR公司較早采用的一項技術(shù)，單電阻電流采樣重構(gòu)技術(shù)是指利用當(dāng)前PWM對應(yīng)的電流狀態(tài)，采用合適的延遲時間（避開電流振蕩）即可采到真實的母線電流，將采到的各個時刻的電流按SVPWM的時序進行重組即可得到電機三相電流。如圖1所示。該技術(shù)的最大好處是降低了成本，同時外圍電路非常簡單。
IRMCF3XX介紹
IRMCF3XX系列是IR公司推出的電機控制數(shù)字集成電路，主要用于家電及工業(yè)方面的變頻控制。該系列芯片采用了最先進的基于磁場定位的矢量控制技術(shù)，利用單電阻電流采樣即可實現(xiàn)電機的三相電流重構(gòu)，從而實現(xiàn)了FOC電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)矢量控制，驅(qū)動方式為180度正弦波。IRMCF3XX內(nèi)含2個高性能處理引擎，一個是8bits高速8051核，另一個是用于永磁同步電機無傳感器控制的16bits電機控制引擎（MCETM）。MCETM包含了基于硬件電路控制電機所需的所有控制資源，如PI調(diào)節(jié)器、矢量旋轉(zhuǎn)、角度估計器、乘法/除法器、低功耗的SVPWM以及單電阻電流采樣/重構(gòu)等等。同時，該系列芯片還支持弱磁控制，以應(yīng)對高轉(zhuǎn)速的要求。而復(fù)雜的無傳感器控制算法中的關(guān)鍵要素（如角度估計器）全部是已經(jīng)定義好的控制模塊，用戶可以通過使用與MATLAB/SIMULINK環(huán)境無縫連接的圖形化編譯器來設(shè)計自己的電機控制算法。8051代碼的仿真和調(diào)試可以通過基于JTAG口的第三方調(diào)試工具來完成。
IRMCF341是該系列中的入門級IC。IRMCF311和IRMCF312是在IRMCF341的基礎(chǔ)上增加了第二套電機控制電路和全數(shù)字PFC功能，即可同時實現(xiàn)兩個電機和全數(shù)字式PFC控制，真正實現(xiàn)了電機控制單片系統(tǒng)（SOC）。為支持客戶的量產(chǎn)，IR提供OTP版本的相關(guān)芯片，比如IRMCF341的OTP版本為IRMCK341。
IRMCF341是該系列產(chǎn)品中最具代表意義的，其內(nèi)部框圖如圖2所示。
空調(diào)壓縮機控制器的設(shè)計過程
這節(jié)將以直流變頻空調(diào)壓縮機控制器為例，詳細地講解IRMCF3XX系列產(chǎn)品在變頻家電中的應(yīng)用。眾所周知，空調(diào)壓縮機的控制是空調(diào)電氣系統(tǒng)中較為復(fù)雜的部分，其性能的好壞直接決定空調(diào)的優(yōu)劣。對變頻空調(diào)來說，就是其核心技術(shù)所在。本文只針對壓縮機的驅(qū)動控制做詳細的描述，空調(diào)電氣系統(tǒng)其他部分和普通空調(diào)并沒有太多的變化，在此略過。典型的直流變頻空調(diào)系統(tǒng)如圖3所示。
硬件部分：這里選擇IRMCF341來控制壓縮機。采用該芯片的電機控制系統(tǒng)硬件非常的簡單，外圍器件很少，只需要兩層板即可，面積也可以做的很小。其典型的應(yīng)用如圖4所示。
其主控電路的原理圖如圖5所示。
由此可見，IRMCF341這款芯片是很容易上手的。同時，配合IR公司的功率驅(qū)動模塊IPM和PI（Power Integration）的電源芯片TINY系列，整個壓縮機的控制硬件將變得很簡單。
IR的IPM有著業(yè)界非常優(yōu)異的性能，死區(qū)時間可以低至0.5us。圖6是采用IRAMX16UP60B的電路原理圖。這款I(lǐng)PM內(nèi)部包含過流、過溫以及欠壓保護電路，可以保證壓縮機的可靠穩(wěn)定的運行，功率完全可以滿足1P的壓縮機要求。
布局布線的考慮：雖然說IRMCF341的外圍電路不多，但是合理的布局布線也非常重要，可以說是實現(xiàn)高性能電機驅(qū)動的關(guān)鍵因素之一。
根據(jù)經(jīng)驗，對布局有以下幾點要求：1）布局時使IRAMX模塊盡可能靠近341，減小電流取樣部分的的距離。2）盡可能減小功率模塊到母線電容的距離，同時添加高頻退藕電容（630V，474滌綸電容）。
對布線的要求：1）盡量減小電流取樣回路的面積，送往341的電流信號檢測線應(yīng)直接從模塊的管腳引出，并避免與別的電路共用。電流信號檢測線（IFB和PGND）應(yīng)并排走線，同時推薦單點接地。2）341腹部的PCB靠近341的那層為地，為模擬與數(shù)字地的單點接地，令一層用作1.8V的鋪銅。3）IRAMX模塊的12腳（V-）和23腳（Vss）在模塊內(nèi)部的連接阻抗較大，建議用較寬的線再次連接以減小功率地到信號地的阻抗。當(dāng)341和功率模塊靠的較近時，可以同時從341的這兩個管腳引出地線送往電流取樣電路。通過調(diào)試來確定哪一條路噪聲較小，一般來說12腳為地時電流重構(gòu)噪聲小一些。如圖7所示：
開發(fā)過程：首次開發(fā)，建議選用貝能公司提供的IRMCS3041開發(fā)平臺，該平臺包含演示板、400W的PMSM和配套的軟件及參考代碼，這樣可以使工程師更快的熟悉和掌握IRMCF341的特點及應(yīng)用，以加快產(chǎn)品的開發(fā)。
熟悉了IRMCF341以后，可以用它來搭建自己的硬件平臺了。有了自己的硬件平臺，就可以使用MCE Designer軟件進行PC對壓縮機的性能調(diào)試了。此時，可以選用貝能公司提供的隔離盒（型號為EV-ISOLATOR）進行安全隔離。這個電機調(diào)試的工作量將會占據(jù)整個壓縮機控制系統(tǒng)工作量的一半左右，可見非常之關(guān)鍵。開發(fā)過程可能涉及的軟件如圖8所示。
MCE Designer是在購買IRMCS3041平臺后贈送的，等MCE Designer安裝好后，其安裝目錄下會自動生成專用的EXCEL電機參數(shù)配置表。
首先需要用Excel對電機參數(shù)進行配置，包括電機本身的參數(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用參數(shù)，其中要注意的是最低轉(zhuǎn)速要設(shè)為額定轉(zhuǎn)速的5%以上，這是由這套算法所限制的，同時參數(shù)的準(zhǔn)確性直接決定了最終控制性能的好壞。所以最好和壓縮機提供商做好這方面的溝通，以獲得盡可能準(zhǔn)確的參數(shù)，同時進行必要的驗證。
MCE Designer調(diào)用Excel產(chǎn)生的參數(shù)文件，可以對電機進行各種診斷、調(diào)速、改變速度環(huán)和電流環(huán)響應(yīng)以及波形觀測等功能，總之，非常的實用和直觀。
使用MCE Designer的示波器工具觀測到的典型的兩相電流波形如圖9所示。
調(diào)試的結(jié)果如果達到要求的話，就可以將電機本身的參數(shù)固化。
如果對于IRMCF341默認的速度環(huán)不太滿意，或者要實現(xiàn)特殊的運行性能，就可以使用Matlab的Simulink來改變速度環(huán)的結(jié)構(gòu)，一般來說不需要更改。
使用IR提供的8051源代碼，將其中的MotorCtrl.h文件中的電機參數(shù)改成和Excel中的參數(shù)一致。開發(fā)者不用在電機控制的算法中冥思苦想，用IRMCF341系統(tǒng)，只需要開發(fā)通訊程序和其他的附加功能即可，軟件設(shè)計得到了大大的簡化。
軟件：軟件的開發(fā)對于IRMCF341平臺來說，是一件駕輕就熟的工作。其控制程序流程圖如圖10所示。用IR公司提供的源代碼已經(jīng)可以通過串口來調(diào)試電機，包括電機的啟停、加減速和正反轉(zhuǎn)。這個過程需要使用Keil uVision2環(huán)境來編寫和調(diào)試代碼，同時配合FS2（或者支持Mentor M8051EW核的仿真工具）來完成開發(fā)。當(dāng)然對于經(jīng)驗豐富的工程師，依靠參考代碼和EEPROM燒寫工具也可以完成開發(fā)過程。
至此，直流變頻空調(diào)的壓縮機控制部分就算完成了，再導(dǎo)入空調(diào)電氣設(shè)計的其他部分，整個直流變頻空調(diào)電氣設(shè)計就大功告成。采用IRMCF341設(shè)計的國內(nèi)某品牌直流變頻空調(diào)已經(jīng)系列化量產(chǎn)，其掛機的能效比達到了6.2。
總結(jié)
本文簡單的介紹了變頻家電的相關(guān)背景和變頻技術(shù)的熱點。詳細的講述了IRMCF3XX系列芯片的特點，同時還針對選用IRMCF341來開發(fā)直流變頻空調(diào)壓縮機控制器的實現(xiàn)過程作了詳盡的描述，包括硬件和軟件的設(shè)計、開發(fā)的流程以及布局布線的考慮等。通過介紹不難發(fā)現(xiàn)，使用IRMCF3XX系列芯片設(shè)計變頻家電，既有硬件的快速性，又有軟件的靈活，非常容易上手，同時可以獲得的性能一流，可靠性好的產(chǎn)品，不愧為變頻家電設(shè)計工程師的利器。 |
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