IRMCF341在變頻家電上的應(yīng)用

本文略述了變頻技術(shù),介紹了IRMCF341和IPM的相關(guān)知識(shí),進(jìn)而分IRMCF341

        在變頻家電上的應(yīng)用,分析和實(shí)踐表明基于IRMCF341微控制器的無(wú)傳感器的矢量控制技術(shù)變頻家電的解決方案具有高效率,成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),必得到廣泛的應(yīng)用。

       1.   概述
          隨著國(guó)際油價(jià)的不斷攀升，人們?cè)絹?lái)越緊迫的認(rèn)識(shí)到能源的重要性。如何高效，環(huán)保的利用能源是各個(gè)國(guó)家政府，學(xué)術(shù)界，工業(yè)界都非常注重的熱點(diǎn)問(wèn)題，各種鼓勵(lì)節(jié)能減排的措施也層出不窮，節(jié)能儼然已成為現(xiàn)今社會(huì)的熱點(diǎn)話題。降低電機(jī)的能源消耗又是這場(chǎng)戰(zhàn)役的攻堅(jiān)戰(zhàn)，據(jù)權(quán)威統(tǒng)計(jì)全世界電機(jī)每年消耗的能源占全球每年能源消耗的80％以上，而這其中對(duì)我們影響最大的莫過(guò)于家電中的電機(jī)能源消耗，比如電冰箱，空調(diào)，洗衣機(jī)等。變頻技術(shù)是降低電機(jī)能源消耗的一種有效手段，變頻家電在西方發(fā)達(dá)國(guó)家早已占據(jù)了主流，日本2000年變頻空調(diào)已占空調(diào)市場(chǎng)的90％以上，變頻冰箱占60％，變頻洗衣機(jī)占30～40％，而我們國(guó)內(nèi)變頻家電的起步較晚，但最近幾年發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)各大家電巨頭陸續(xù)推出了各種變頻家電產(chǎn)品，國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)研究所預(yù)測(cè)：到2010年變頻空調(diào)將占據(jù)空調(diào)市場(chǎng)85％以上，有63％的消費(fèi)者會(huì)選擇變頻空調(diào)。
            變頻家電的變頻控制有多種實(shí)現(xiàn)方法，各有利弊，但哪種方法成本更低，效率更高，效果更好則是我們關(guān)心的問(wèn)題。本文由淺至深介紹一種基于IRMCF341微控制器的無(wú)傳感器的矢量控制技術(shù)變頻家電的解決方案

        2.   變頻技術(shù)簡(jiǎn)介
              通俗的講變頻技術(shù)是通過(guò)改變電機(jī)運(yùn)行的交流電頻率實(shí)現(xiàn)速度控制的技術(shù)。以空調(diào)壓縮機(jī)為例目前主流的變頻空調(diào)采用的電機(jī)都是直流電機(jī)，按其驅(qū)動(dòng)波形分為方波電機(jī)和正弦波電機(jī)，針對(duì)這兩種電機(jī)常用的有2種技術(shù)即120度控制技術(shù)和180度控制技術(shù)，即人們常說(shuō)的方波驅(qū)動(dòng)技術(shù)和正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)，下面就這兩種技術(shù)作個(gè)簡(jiǎn)要的對(duì)比。

        （1）120度控制技術(shù)：
                120度控制技術(shù)是指任意時(shí)刻電機(jī)3相線只有2相導(dǎo)通，1相截止，表現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)波形上即在180度電周期內(nèi)任1相線只連續(xù)通電 120度，60度截止。這種技術(shù)驅(qū)動(dòng)波形為方波，采用常見(jiàn)6拍換向方法進(jìn)行換向控制。具有算法簡(jiǎn)單,相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在著一些缺點(diǎn): 在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)差率,導(dǎo)致大電流,即能耗比,效率低；轉(zhuǎn)矩特性差,負(fù)載加大時(shí)會(huì)丟轉(zhuǎn)速；低速轉(zhuǎn)矩特性差,容易發(fā)生抖動(dòng)。120度控制技術(shù)在早期的變頻家電產(chǎn)品上有部分采用，但因其效率低，轉(zhuǎn)矩特性差等問(wèn)題先已逐步被180度控制技術(shù)取代。目前市場(chǎng)上最先進(jìn)的180度控制技術(shù)是基于磁場(chǎng)定向矢量的變頻技術(shù)

        （2）基于FOC(磁場(chǎng)定向)的矢量變頻控制系統(tǒng)：
              其控制原理是通過(guò)一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，實(shí)現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。具有可以在不產(chǎn)生大流的情況下實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即能耗比，效率高；轉(zhuǎn)矩性能好，可以在不丟轉(zhuǎn)速的情況下保證足夠硬的轉(zhuǎn)矩特性的點(diǎn)。但其電機(jī)控制算法相對(duì)復(fù)雜，實(shí)時(shí)要求性高，對(duì)軟件人員要求高，主要應(yīng)用于負(fù)載變化快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高的場(chǎng)合，如變頻空調(diào)，洗衣機(jī)，機(jī)床控制系統(tǒng)等。

        3. IRMCF341芯片簡(jiǎn)介
                3.1 綜述
              IRMCF341 是美國(guó)國(guó)際整流器（IR）新推出的針對(duì)變頻家電無(wú)傳感器控制應(yīng)用的高性能低成本電機(jī)控制IC。它采用最先進(jìn)的基于磁場(chǎng)定位的矢量控制技術(shù)，利用單電阻電流采樣即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的三相電流重構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)了FOC電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)矢量控制, 驅(qū)動(dòng)方式為180度正弦波。.IRMCF341 內(nèi)含2 個(gè)高性能的處理引擎，一個(gè)是8 位高速8051 核，另一個(gè)是 用于電機(jī)無(wú)傳感器控制的16 位電機(jī)控制引擎（MCE ）。8051 核的執(zhí)行速度為每?jī)蓚€(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘一個(gè)指令(如： 60MIPS @ 120MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘)。8051 核和MCE 處理器:之間可以通過(guò)雙端口RAM 交換數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)視和指令輸入的功能。MCE  包含了基于硬件電路控制電機(jī)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(jì)器、乘法/除法器、低損耗SVPWM 以及單電阻電流采樣/重構(gòu)等等。復(fù)雜的無(wú)傳感器控制算法中的關(guān)鍵要素（如：角度估計(jì)器）全部是已經(jīng)定義好的控制模塊，用戶可以通過(guò)使用與 MATLAB/SIMULINK 環(huán)境無(wú)縫連接的圖形化編譯器來(lái)設(shè)計(jì)自己的電機(jī)控制算法（在MATLAB/SIMULINK 環(huán)境下通過(guò)連接各單元功能模塊并編譯即可）。8051 代碼的仿真和調(diào)試可以通過(guò)基于JTAG 口的第三方調(diào)試工具來(lái)完成。IRMCF341 內(nèi)51 程序存儲(chǔ)器為48K 的RAM，封裝形式為小型QFP64 無(wú)鉛封裝。

IRMCF341 

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         IRMCF341 是針對(duì)開(kāi)發(fā)階段的版本，其48K 的程序存儲(chǔ)器為RAM，可以很方便地從外部EEPROM 載入8051 和MCE 控制代碼。批量生產(chǎn)時(shí)可以使用引腳完全相同的OTP 版本或掩模版本IRMCK341。其典型應(yīng)用如下：

      3.2 IRMCF341的結(jié)構(gòu)功能
         

        IRMCF341 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示：

       FOC算法功能的系統(tǒng)框圖：
 

         所謂FOC控制算法是指:將電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相—二相變換（CLARK變換），等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換（PARK變換），等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量。然后利用反PARK變換，反CLARK變換把直流控制量轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧娜嘟涣髁?，進(jìn)而控制電機(jī)。由于341采用無(wú)傳器的控制方法,所以一開(kāi)始341的啟動(dòng)并不能以閉環(huán)方式啟動(dòng),其啟動(dòng)方式如下: 首先,通過(guò)給電機(jī)施加特定矢量，迫使轉(zhuǎn)子移動(dòng)到指定位置(PARK定位)。以PARK結(jié)束時(shí)的電角度為起始點(diǎn)開(kāi)環(huán)運(yùn)行,,到達(dá)門(mén)限速度后切入閉環(huán)模式,若磁通檢驗(yàn)成功,實(shí)現(xiàn)真正閉環(huán)控制,執(zhí)行FOC控制算法。

       4 IRMCF341的開(kāi)發(fā)環(huán)境
      

       硬件平臺(tái)：
 

       IRMCS3041設(shè)計(jì)平臺(tái)

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         軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)：

         利用自帶的EXCEL表計(jì)算配置參數(shù)，配合MCE Designer調(diào)試電機(jī)，

可得用MATLAB進(jìn)行MCE結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和利用KEIL uVision2進(jìn)行8051的代碼調(diào)試。

        5 IPM簡(jiǎn)介
       

        IPM（Intelligent Power Module）,即智能功率模塊，不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到 CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用 IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來(lái)越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。      

        IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設(shè)計(jì)平臺(tái)系列的產(chǎn)品之一，它除了將6個(gè)高壓功率晶體管和驅(qū)動(dòng)芯片 IR2136等電路集成在一個(gè)小型絕緣封裝外，還具有過(guò)熱、過(guò)流、欠壓和內(nèi)置死區(qū)控制防止高端IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和底端IGBT短路等保護(hù)功能，以確保操作安全以及系統(tǒng)可靠。此外，它還能夠由一個(gè)+15V直流電源來(lái)提供工作電壓，可以簡(jiǎn)化其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
  

        與分立元件相比，模塊除了具有眾所周知的優(yōu)點(diǎn)（更小、更可靠、可視為單一元件）外，IRAMS16UP60A模塊還使設(shè)計(jì)者避免了在IGBT逆變器設(shè)計(jì)中常遇到的幾個(gè)問(wèn)題：
       

       （1）模塊具有很低的電路電感，可以減小電壓尖峰，在較低的開(kāi)關(guān)損耗下可以工作于較高
的開(kāi)關(guān)頻率；
       

       （2）所有低端和高端IGBT的傳輸延遲匹配，可以防止直流電流加到電機(jī)上；
       

       （3）內(nèi)置死去時(shí)間控制提供充足死區(qū)時(shí)間防止高端IGBT和低端IGBT短路；
       

       （4）故障安全工作確保過(guò)流過(guò)壓時(shí)停機(jī)，使設(shè)計(jì)者不用設(shè)計(jì)過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)電路；
       

       （5）提供了溫度監(jiān)視和相電流檢測(cè)引腳。

       5 IRMCF341在變頻家電上應(yīng)用
       

        5.1 應(yīng)用分析
       

      IRMCF341在變頻家電上應(yīng)用，主要瞄準(zhǔn)高功能和省電。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型輕量、大容量、高舒適感、長(zhǎng)壽命、安全可靠、靜音、省電等優(yōu)點(diǎn)。
       

        341主要應(yīng)用于永磁同步電機(jī), 交流永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種可在50Hz三相交流電環(huán)境中直接啟動(dòng)起來(lái)的電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行方式為：異步啟動(dòng)、同步運(yùn)行。交流永磁同步電動(dòng)機(jī)是用稀土永磁材料取代傳統(tǒng)電勵(lì)磁而制成的高效節(jié)能電機(jī)，它不僅具有一般永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)，還具有體積小、重量輕、損耗小、效率高等顯著特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)所難以達(dá)到的高性能。加上341基于FOC(磁場(chǎng)定向)的矢量變頻控制,驅(qū)動(dòng)方式為180度正弦波,更使這方面的性能得到充分的發(fā)揮同時(shí),341采用電單電阻電流采樣重構(gòu)技術(shù),節(jié)省了成本, 單電阻電流采樣重構(gòu)技術(shù)是指 341利用當(dāng)前PWM對(duì)應(yīng)的電流狀態(tài),

采用合適的延遲時(shí)間（避開(kāi)電流振蕩）即可采到真實(shí)的母線電流, 將采到的諸多時(shí)刻的電流按PWM的時(shí)序進(jìn)行重組即可得到電機(jī)三相電流.如圖所示:

        面對(duì)永磁同步電機(jī),單電阻電流采樣這兩方面的特性非常符合變頻家電的特性,使得341在變頻家電上得到了廣泛的應(yīng)用,首先是空調(diào)方面，采用了 IRMCF341的變調(diào)控制以后，擴(kuò)大了壓縮機(jī)的工作范圍，不需要壓縮機(jī)在斷續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行就可實(shí)現(xiàn)冷、暖控制，達(dá)到降低電力消耗，消除由于溫度變動(dòng)而引起的不適感，其節(jié)能效果大幅度提高.。
       

       其次，在洗衣機(jī)方面，過(guò)去使用變頻實(shí)現(xiàn)可變速控制，提高洗凈性能，而采用IRMCF341洗衣機(jī)除了節(jié)能和靜音化外，還在確保衣物柔和洗滌等方面推出新的控制內(nèi)容；目前,貝能公司推出的基于341變頻洗衣機(jī)方案, (1)矢量控制:轉(zhuǎn)矩、速度雙閉環(huán)控制;最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩特性;更低的能耗;更高的效率;(2)外圍電路簡(jiǎn)單:不需要昂貴的電流傳感器;單電阻采樣不需要復(fù)雜的電流檢測(cè)電路;比同類產(chǎn)品降低 25％左右的外圍器件.更是341在變頻技術(shù)上的典型及優(yōu)秀的運(yùn)用。
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      在空調(diào)和洗衣機(jī)運(yùn)用方面,基于341變頻方案也在國(guó)內(nèi)一些知名大企業(yè)得到了應(yīng)用,并相繼量產(chǎn)。

      5．2 硬件設(shè)計(jì)
       

       （1）主控制電路 

         （2）IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
   

         IPM（智能功率模塊）驅(qū)動(dòng)電路主要完成對(duì)341芯片產(chǎn)生的六路PWM信號(hào)的功率放大，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的功率管從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

       5.3 軟件設(shè)計(jì)

       （1）主控制流程                              （2）馬達(dá)控制流程

       6 小結(jié)
          本文簡(jiǎn)單略述變頻家電的市場(chǎng)背景和變頻技術(shù)。主要介紹了IRMCF341的芯片的特點(diǎn)和功能，開(kāi)發(fā)環(huán)境并分析了其在變頻家電上的應(yīng)用，由于 IRMCF341的優(yōu)秀的控制性能，人性化的開(kāi)發(fā)流程，使得它并不停留于家電上的應(yīng)用，除了支持PMSM，BLDC等直流電機(jī)外，IR新推出的代碼已經(jīng)支持ACIM交流感應(yīng)異步電機(jī)，更大程度的擴(kuò)展了IRMCF341在變頻控制上的應(yīng)用。目前已有客戶利用IRMCF341開(kāi)發(fā)成功變頻水泵，變頻跑步機(jī)等。變頻跑步機(jī)方案: 在FOC矢量控制模式下，提供足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在沖擊負(fù)載的情況下，速度環(huán)和電流閉雙閉環(huán)矢量控制，反應(yīng)速度快，同時(shí)由于主回路采用了大容量的平滑電容，針對(duì)跑步機(jī)負(fù)載，軟件上做了特殊修改，能有效平穩(wěn)直流母線電壓，完全能符合跑步機(jī)負(fù)載特性的要求,低速上做到了5HZ, 無(wú)抖動(dòng)帶載平穩(wěn)啟動(dòng). 變頻水泵方面其節(jié)能效果經(jīng)測(cè)試已超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。