IR370電動機(jī)控制設(shè)計(jì)平臺

傳統(tǒng)家電的感應(yīng)式電動機(jī)，運(yùn)行速度單一、調(diào)節(jié)效率低，如將其更換成可變速永磁電動機(jī)，可以將能源消耗減少到60％左右。在全球范圍內(nèi)，就能夠?yàn)橄M(fèi)者每年節(jié)約大約6300億美元的開支。

除了能夠減少能源消耗，永磁電動機(jī)技術(shù)所帶來的低損耗和高轉(zhuǎn)矩使得設(shè)計(jì)者能夠設(shè)計(jì)出保持目標(biāo)溫度的更小型和更輕巧的電動機(jī)。這不僅能節(jié)約空間和減小重量，還能降低成本、簡化機(jī)械設(shè)計(jì)。同感應(yīng)電動機(jī)相比，它使用的貴重原材料也相對較少。可變速電動機(jī)的應(yīng)用還帶來了更大的運(yùn)行可靠度和更長的使用壽命，以及噪音的減少。所以，永磁電動機(jī)技術(shù)是大多數(shù)可變速設(shè)備的選擇。

成本和性能考慮
在使用霍耳效應(yīng)傳感器或者反電動勢傳感器來實(shí)現(xiàn)無刷交流電動機(jī)的梯形電流控制技術(shù)中，存在低速噪音高和高速范圍受限的問題。而FOC(磁場定向控制)帶來了更高更全面的使用性能，因?yàn)檎译妱訖C(jī)電流能產(chǎn)生更加平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩并且使得速度范圍增大。FOC算法器的典型作用是將電流值以數(shù)學(xué)的方法從定子域轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子域，然后將所需要的電壓值從轉(zhuǎn)子域轉(zhuǎn)換回定子域。在轉(zhuǎn)換的結(jié)果上，還將作進(jìn)一步的處理，比如在電流值上的比例積分運(yùn)算。

然而，完善FOC算法器以實(shí)現(xiàn)在微型處理器或者DSP(數(shù)字信號處理器)中的執(zhí)行，需要在電動機(jī)控制和軟件編碼技術(shù)上有豐富的經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)中，電動機(jī)電流取樣的計(jì)時是至關(guān)重要的，它依賴于設(shè)計(jì)中PWM(脈沖寬度調(diào)制)計(jì)時。為了得到一個高質(zhì)量的解決方案，雖然使用現(xiàn)成的算法器在一般情況下比設(shè)計(jì)一個特殊的算法器更快速并且總成本更低，但是所要求的用于執(zhí)行一個FOC算法器的處理資源會給很多DSP的處理能力造成較重負(fù)擔(dān)。

使用一個現(xiàn)成的算法器也不能解決電動機(jī)控制設(shè)計(jì)的其它方面，包括電子電路的設(shè)計(jì)、模擬測流、電源管理、過電流和過電壓保護(hù)、以及全部解決方案的綜合和集成。

圖1 混合模式控制器集成電路

綜合行程控制平臺
圖1為一個可配置寄存器混合模式控制器集成電路。它使用FOC實(shí)現(xiàn)無傳感器電動機(jī)速度和位置控制。FOC作為有標(biāo)塊的行程控制引擎(MCE)的一部分來使用。通過將控制器集成電路進(jìn)行分配，MCE就可以成為合適的數(shù)字IP塊，它可以很方便地使用在各種已優(yōu)化的電動機(jī)控制集成電路中。

除此以外，通過在同樣的芯片上使用一種微型控制器芯片，如圖1所示，一臺設(shè)備(諸如一臺空調(diào)裝置)的應(yīng)用層上的編碼也可以與數(shù)字行程控制功能一樣在同樣的硅片上執(zhí)行。還可以將該應(yīng)用部件在行程控制以外獨(dú)立地加以修改，使其與行程控制成為一個模塊體系結(jié)構(gòu)，作為應(yīng)用處理器的從屬部分。在該設(shè)計(jì)中，60 MIPS的8051芯片具有在應(yīng)用層面上充足的處理能力，并且還提供通訊端口，通過該端口可以將電動機(jī)的速度傳遞給電路運(yùn)行FOC。

在圖1所示的ASE(模擬信號引擎)塊集成了模擬信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換功能，形成了一個混合模式控制器集成電路，以便進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)一個完整的控制器所需要的元件數(shù)量。在芯片上安裝了5個運(yùn)算放大器以及相關(guān)增益電路作為外部元件來使用，使其能夠直接地感應(yīng)整個外部測流電阻器的電壓降。其上還安裝了12位ADC，以執(zhí)行電動機(jī)電流的復(fù)原。硬件計(jì)時器簡化了設(shè)計(jì)人員對測流電阻器的時間控制，即臨界取樣上的軟件操作任務(wù)。所以，該混合模式控制器集成電路的使用(包括模擬集成電路)減少了無傳感器控制所要求的分立元件的數(shù)量。

可兼容的模擬接口以及電源模塊使得設(shè)計(jì)平臺更加完整，使快速配置整個永磁電動機(jī)控制器成為可能。電子電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)集成任務(wù)是預(yù)先完成的，從而便于工程師快速完成電動機(jī)控制設(shè)計(jì)方案。

圖2 IRS2136D

數(shù)字控制的要求
通過使用上述混合模式控制器集成電路，國際整流器公司已經(jīng)開發(fā)出了可變速電控設(shè)計(jì)平臺。作為一個特殊功能的硬件處理器，MCE能夠在11ms內(nèi)完成一個FOC回路的計(jì)算。如此快速的計(jì)算速度使其能夠在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對兩臺電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的控制。比如，它使得一個單一的控制器集成電路可以執(zhí)行一臺空調(diào)設(shè)備所要求的所有數(shù)字處理，這就需要對風(fēng)扇和空壓機(jī)的電動機(jī)進(jìn)行有效的控制。此外，它還有足夠的處理能力，能夠在芯片上進(jìn)行數(shù)字PFC(功率因數(shù)校正)操作，因此，就免去了再安裝一套外部元件的必要。

因?yàn)镕OC轉(zhuǎn)矩控制回路已經(jīng)在硬件中進(jìn)行了優(yōu)化，用戶只需要確定外部速度和座席回路的參數(shù)即可完成數(shù)字設(shè)計(jì)任務(wù)。在基于個人計(jì)算機(jī)的配置工具的幫助下，通過寫入存儲器就能夠很方便地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。所要求的參數(shù)能很容易地輸入到一個電子表格里，接著由配置程序進(jìn)行翻譯。

圖3 IRS2136D的功能框圖

模擬驅(qū)動器和電源模塊
為了給對運(yùn)行成本敏感的用戶帶來可變速電動機(jī)控制解決方案的好處，還需要有與數(shù)字控制和電力電子塊兼容的三相模擬驅(qū)動和保護(hù)集成電路來作為該解決方案的一部分。制造集成驅(qū)動器集成電路(例如包括了帶內(nèi)置陰極負(fù)載二極管的半橋換向柵驅(qū)動器)，也要求對諸如高、低信道的傳播延時等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密的匹配，并在整個使用壽命期間保持穩(wěn)定。其它基本特性還包括了停滯時間插入和保護(hù)功能，如：帶自動排除故障功能的倒相器過電流跳閘和欠電壓切斷。分離式的電源和信號地線的連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)在低端IGBT上進(jìn)行單根直流線配置，用以執(zhí)行測流任務(wù)。內(nèi)置交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)也是一個有價值的特性，它可以防止意外的擊穿，從而增加倒相器的可靠度。

圖2為模擬驅(qū)動器集成電路IR2136D的框圖。 該器件能夠與其開發(fā)的耗盡停止型溝槽IGBT完全兼容。這些IGBT有一系列的配置方式，包括了用于處理電動機(jī)控制裝置的電源開關(guān)操作任務(wù)的分散式和集成式的模塊。這些顯示了集電極到發(fā)射集的飽和電壓以及總開關(guān)損損耗比擊穿和非擊穿IGBT都要低。

控制器集成電路、集成模擬驅(qū)動器以及IGBT模塊共同構(gòu)成了一個行程控制元件的組合―iMOTION。以使用方便和快捷為設(shè)計(jì)理念，該設(shè)計(jì)平臺還納入了參考設(shè)計(jì)，它使得工程師能進(jìn)一步簡化開發(fā)過程，以便集中精力于應(yīng)用的開發(fā)工作。這將是未來能量效率型電動機(jī)控制的主要功能優(yōu)勢。

圖4 效率數(shù)據(jù)對比

一種具有95%工作效率的空調(diào)機(jī)的設(shè)計(jì)
目前，空調(diào)設(shè)備在能源消耗中仍占有較大比例，因?yàn)殡妱訖C(jī)運(yùn)行效率低將導(dǎo)致CoP(制冷系數(shù))降低。根據(jù)實(shí)際使用系統(tǒng)的不同，將壓縮機(jī)更換成一臺永磁電動機(jī)型的可變速壓縮機(jī)，能夠?qū)oP提高甚至超過300%。

為了實(shí)現(xiàn)低成本高效率的設(shè)計(jì)應(yīng)用，IRMCF312空調(diào)機(jī)控制器支持MCE結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)無傳感器的電動機(jī)速度和位置控制的集成。IRMCF312集成了數(shù)字PFC控制，并且不需要傳統(tǒng)空調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)的分離式風(fēng)扇控制器和分離式PFC控制功能。

圖3顯示了一個完整的基于iMOTION的室外空調(diào)機(jī)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要是使用了IRMCF312。 結(jié)合IRS2136D高壓集成電路作為伴隨設(shè)施，該方案能設(shè)計(jì)成本低、效率高的室外空調(diào)機(jī)。該高壓集成電路包括了倒相IGBT柵驅(qū)動、過電流保護(hù)和欠電壓切斷功能。此外，還開發(fā)了一種新型智能電源模塊，它包括了IRS2136D及最新的溝槽柵式IGBT。

圖4顯示了基于直流輸入和倒相輸出功率測定基礎(chǔ)上的倒相加PFC的效率數(shù)據(jù)。PFC是以恒向電流的模式運(yùn)行，具有20KHz數(shù)字計(jì)算更新速度和40KHz的PWM載波頻率。PFC和倒相器的共同效率超過了95%。

該項(xiàng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)還包括運(yùn)行更安靜(由于使用了正弦電流控制)、使用元器件更少(降低了成本)、減少了維護(hù)需要和具有更長的使用壽命。