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IRMCF3XX集成电路--变频家电设计工程师的利器 |
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作者：贝能国际有限公司 唐华标 |
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随着全球能源的愈发紧张，世界各国除了在新能源开发上投入巨资外，对于现有能源的有效利用，也到了前所未有的程度。据权威资料统计，电机对能源的消耗要占到总能源消耗的80%以上，可见提高电机系统的效率对于节约能源的重要意义。而家电的节能是与我们生活息息相关的，这包括空调，洗衣机，冰箱等。那如何提高他们的效率呢？对于家电设计工程师来说，这是一个艰巨的，但不得不面对的问题。
日本早在2000年变频空调已占空调市场的90％以上，变频冰箱占60％，变频洗衣机占30～40％，欧美也远远的走在我们前面。我国变频家电起步较晚，到2004年才有第一台采用180度技术的变频空调诞生。
随着2008年9月1日的中国变频空调能效国标的推出，家电行业全面变频的时代也即将来临。传统家电一般采用定频设计，选用低成本、低效率的感应电机。而变频家电是采用变频设计，很多都选用正弦波的无刷直流电机（也叫永磁同步电机PMSM），这种电机具有体积小、结构简单、重量轻、损耗小以及控制性能好等优点。
目前，最流行的变频技术应该算基于磁场定向控制（FOC）的矢量控制技术。但该算法实现很复杂，且实时性要求较高。传统的工程应用中一般都采用DSP技术以软件的方式来实现，该方法灵活，但开发周期长，对人员的知识面和要求都相当的高。这些因素使得开发一款优良的变频家电困难重重，但节能的需要又必须使得我们不能不做相应的技术升级。
高性能电机驱动系统有向全硬件或者半硬半软方向发展的趋势，即基于FPGA或者ASIC的方式。传统的DSP和MCU也都在其器件中添加了电机控制专用模块就是个很好的例子。
国际整流器公司（IR）就在这样的背景下开发了数字电机控制专用芯片。其中IRMCF3XX就是其中一个系列，它的一个重要目标市场就是变频家电，可以说是为其量身定做的。
本文将主要讨论涉及变频家电的一些技术问题，同时介绍IRMCF3XX系列产品和使用其中的IRMCF341设计直流变频空调控制器的过程。
变频的相关技术背景
直流变频与交流变频：这种变频方式的区分主要是针对控制对象而言的。传统的压缩机大都采用电容运行的感应电机，交流变频主要是对感应电机的调频调压控制，这种控制方式最大的特点是算法相对简单，但其效率、力矩脉动和噪声都只是在一定程度上得到改善。而直流变频则是指压缩机采用正弦波的直流无刷电机，这种电机具有更好的效率，更小的力矩脉动，更高的功率密度，再配合好的控制方式，如磁场定向控制（FOC）等，将会最大程度上的改善人们对空调的感受。比如可以达到超静音，超节能，超舒适的体验。而所谓全直流变频是压机和风机都采用无刷直流电机。
120度和180度：针对目前流行的直流变频技术，有120度和180度控制方式的不同，这也就是我们通常说的方波驱动和正弦波驱动的差别。120度控制方式就是方波驱动，任意时刻三相中只有两相导通，一相截止，表现在驱动波形上就是任意一个电周期里，每相都只导通120度。这种方式最常见的是采用六拍换向控制设计，算法很简单，容易实现。缺点是转矩和转速变化大的时候，效率就低，而且转矩特性差，甚至丢速，在低速段容易抖动。该方式在早期的变频家电中有采用过，但因为其显著的缺点，现在逐渐被180度方案所取代，这是必然的趋势。
180度控制方式也有不同的类型，有采用SPWM技术的正弦波控制，也有采用FOC的SVPWM矢量控制。按照发展的趋势，基于FOC的矢量控制将成为180度方案的主流，也是目前市场上最为先进的变频控制技术。
磁场定向控制（FOC）：FOC首先是由德国西门子公司的F.Blaschke等人于1972年提出来的，它的基本思想是将交流电机（PMSM从原则上讲是一种交流电机）模拟成直流电机的控制规律进行控制。一般是通过检测或者估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样电机的转矩便只和磁通、电流有关。对于永磁电机来说，转子磁通的位置与转子机械位置相同，通过检测和估计转子实际位置就可以得到转子磁通位置。可见，PMSM矢量变换控制的实质就是对定子电流空间矢量的控制。将该定子电流在坐标上分解成互相垂直，彼此独立的矢量id（励磁电流分量）和iq（转矩电流分量）。当永磁体转子确定之后，电机的转矩就可以通过id和iq来调节，这就变得和普通的直流有刷电机一样易于控制了。但由于该算法涉及到坐标转换和逆变换、PI调解、转速和位置估计以及SVPWM等诸多模块，软件设计上有较大的难度，对微处理器件、开发人员及开发周期都要求较高。
无传感器技术：无传感器的好处不言而喻，该技术也是目前电机控制领域的一个热点。和方波驱动BLDC的方式不同，对正弦波驱动的PMSM来说，靠简单的反电动势过零和母线电压比较不能满足其需求，PMSM需要结合电机模型，同时不断的检测电流和计算电压，采用较为复杂的电流观测器来实现的。但归根结蒂还是需要反电动势的，这也就是一般无传感器技术的瓶颈所在，电机有低速的限制。速度太低，反电动势将非常的小，整个系统的误差就变得不可接受。
单电阻采样：单电阻采样是IR公司较早采用的一项技术，单电阻电流采样重构技术是指利用当前PWM对应的电流状态，采用合适的延迟时间（避开电流振荡）即可采到真实的母线电流，将采到的各个时刻的电流按SVPWM的时序进行重组即可得到电机三相电流。如图1所示。该技术的最大好处是降低了成本，同时外围电路非常简单。
图1 SVPWM单电阻采样示意图
IRMCF3XX介绍
IRMCF3XX系列是IR公司推出的电机控制数字集成电路，主要用于家电及工业方面的变频控制。该系列芯片采用了最先进的基于磁场定位的矢量控制技术，利用单电阻电流采样即可实现电机的三相电流重构，从而实现了FOC电流环和速度环双闭环矢量控制，驱动方式为180度正弦波。IRMCF3XX内含2个高性能处理引擎，一个是8bits高速8051核，另一个是用于永磁同步电机无传感器控制的16bits电机控制引擎（MCETM）。MCETM包含了基于硬件电路控制电机所需的所有控制资源，如PI调节器、矢量旋转、角度估计器、乘法/除法器、低功耗的SVPWM以及单电阻电流采样/重构等等。同时，该系列芯片还支持弱磁控制，以应对高转速的要求。而复杂的无传感器控制算法中的关键要素（如角度估计器）全部是已经定义好的控制模块，用户可以通过使用与MATLAB/SIMULINK环境无缝连接的图形化编译器来设计自己的电机控制算法。8051代码的仿真和调试可以通过基于JTAG口的第三方调试工具来完成。
IRMCF341是该系列中的入门级IC。IRMCF311和IRMCF312是在IRMCF341的基础上增加了第二套电机控制电路和全数字PFC功能，即可同时实现两个电机和全数字式PFC控制，真正实现了电机控制单片系统（SOC）。为支持客户的量产，IR提供OTP版本的相关芯片，比如IRMCF341的OTP版本为IRMCK341。
IRMCF341是该系列产品中最具代表意义的，其内部框图如图2所示。
图2 IRMCF341内部框图
空调压缩机控制器的设计过程
这节将以直流变频空调压缩机控制器为例，详细地讲解IRMCF3XX系列产品在变频家电中的应用。众所周知，空调压缩机的控制是空调电气系统中较为复杂的部分，其性能的好坏直接决定空调的优劣。对变频空调来说，就是其核心技术所在。本文只针对压缩机的驱动控制做详细的描述，空调电气系统其他部分和普通空调并没有太多的变化，在此略过。典型的直流变频空调系统如图3所示。
图3 直流变频空调系统框图
硬件部分：这里选择IRMCF341来控制压缩机。采用该芯片的电机控制系统硬件非常的简单，外围器件很少，只需要两层板即可，面积也可以做的很小。其典型的应用如图4所示。
图4 IRMCF341的典型应用
其主控电路的原理图如图5所示。
图5 IRMCF341主控电路原理图
由此可见，IRMCF341这款芯片是很容易上手的。同时，配合IR公司的功率驱动模块IPM和PI（Power Integration）的电源芯片TINY系列，整个压缩机的控制硬件将变得很简单。
IR的IPM有着业界非常优异的性能，死区时间可以低至0.5us。图6是采用IRAMX16UP60B的电路原理图。这款IPM内部包含过流、过温以及欠压保护电路，可以保证压缩机的可靠稳定的运行，功率完全可以满足1P的压缩机要求。
图6 采用IRAMX16UP60B的功率模块驱动电路
布局布线的考虑：虽然说IRMCF341的外围电路不多，但是合理的布局布线也非常重要，可以说是实现高性能电机驱动的关键因素之一。
根据经验，对布局有以下几点要求：1）布局时使IRAMX模块尽可能靠近341，减小电流取样部分的的距离。2）尽可能减小功率模块到母线电容的距离，同时添加高频退藕电容（630V，474涤纶电容）。
对布线的要求：1）尽量减小电流取样回路的面积，送往341的电流信号检测线应直接从模块的管脚引出，并避免与别的电路共用。电流信号检测线（IFB和PGND）应并排走线，同时推荐单点接地。2）341腹部的PCB靠近341的那层为地，为模拟与数字地的单点接地，令一层用作1.8V的铺铜。3）IRAMX模块的12脚（V-）和23脚（Vss）在模块内部的连接阻抗较大，建议用较宽的线再次连接以减小功率地到信号地的阻抗。当341和功率模块靠的较近时，可以同时从341的这两个管脚引出地线送往电流取样电路。通过调试来确定哪一条路噪声较小，一般来说12脚为地时电流重构噪声小一些。如图7所示：
图7 电流采样电路部分原理图
开发过程：首次开发，建议选用贝能公司提供的IRMCS3041开发平台，该平台包含演示板、400W的PMSM和配套的软件及参考代码，这样可以使工程师更快的熟悉和掌握IRMCF341的特点及应用，以加快产品的开发。
熟悉了IRMCF341以后，可以用它来搭建自己的硬件平台了。有了自己的硬件平台，就可以使用MCE Designer软件进行PC对压缩机的性能调试了。此时，可以选用贝能公司提供的隔离盒（型号为EV-ISOLATOR）进行安全隔离。这个电机调试的工作量将会占据整个压缩机控制系统工作量的一半左右，可见非常之关键。开发过程可能涉及的软件如图8所示。
图8 使用IRMCF341开发可能需要用到的软件
MCE Designer是在购买IRMCS3041平台后赠送的，等MCE Designer安装好后，其安装目录下会自动生成专用的EXCEL电机参数配置表。
首先需要用Excel对电机参数进行配置，包括电机本身的参数和系统应用参数，其中要注意的是最低转速要设为额定转速的5%以上，这是由这套算法所限制的，同时参数的准确性直接决定了最终控制性能的好坏。所以最好和压缩机提供商做好这方面的沟通，以获得尽可能准确的参数，同时进行必要的验证。
MCE Designer调用Excel产生的参数文件，可以对电机进行各种诊断、调速、改变速度环和电流环响应以及波形观测等功能，总之，非常的实用和直观。
使用MCE Designer的示波器工具观测到的典型的两相电流波形如图9所示。
图9 用软件检测到的两相电流波形
调试的结果如果达到要求的话，就可以将电机本身的参数固化。
如果对于IRMCF341默认的速度环不太满意，或者要实现特殊的运行性能，就可以使用Matlab的Simulink来改变速度环的结构，一般来说不需要更改。
使用IR提供的8051源代码，将其中的MotorCtrl.h文件中的电机参数改成和Excel中的参数一致。开发者不用在电机控制的算法中冥思苦想，用IRMCF341系统，只需要开发通讯程序和其他的附加功能即可，软件设计得到了大大的简化。
软件：软件的开发对于IRMCF341平台来说，是一件驾轻就熟的工作。其控制程序流程图如图10所示。用IR公司提供的源代码已经可以通过串口来调试电机，包括电机的启停、加减速和正反转。这个过程需要使用Keil uVision2环境来编写和调试代码，同时配合FS2（或者支持Mentor M8051EW核的仿真工具）来完成开发。当然对于经验丰富的工程师，依靠参考代码和EEPROM烧写工具也可以完成开发过程。
图10 空调压缩机控制的程序流程图
至此，直流变频空调的压缩机控制部分就算完成了，再导入空调电气设计的其他部分，整个直流变频空调电气设计就大功告成。采用IRMCF341设计的国内某品牌直流变频空调已经系列化量产，其挂机的能效比达到了6.2。
总结
本文简单的介绍了变频家电的相关背景和变频技术的热点。详细的讲述了IRMCF3XX系列芯片的特点，同时还针对选用IRMCF341来开发直流变频空调压缩机控制器的实现过程作了详尽的描述，包括硬件和软件的设计、开发的流程以及布局布线的考虑等。通过介绍不难发现，使用IRMCF3XX系列芯片设计变频家电，既有硬件的快速性，又有软件的灵活，非常容易上手，同时可以获得的性能一流，可靠性好的产品，不愧为变频家电设计工程师的利器。(end)
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(2/9/2009) |
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