基于集成化電機(jī)控制平臺(tái)的節(jié)能解決方案

Aengus Murray，iMOTION產(chǎn)品管理主管，International Rectifier

　　OEM們正在期待著調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠最大限度提高從家用電器到空調(diào)器的各種產(chǎn)品的效率。工程師們所面臨的挑戰(zhàn)在于，變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案的實(shí)現(xiàn)，并非一個(gè)輕而易舉的任務(wù)，所需完成的開發(fā)工作的復(fù)雜性和成本都大為增加，這個(gè)事實(shí)與如下的需求是相矛盾的：僅以略高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本提供產(chǎn)品。不過，現(xiàn)在功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，連同混合信號(hào)集成方面的進(jìn)步，成為模塊化的解決方案的推出背后的推動(dòng)力量，這些解決方案可以讓工程師們縮短復(fù)雜的調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的開發(fā)時(shí)間和所需的元件數(shù)量，并讓他們能無牽無掛，把注意力集中在專門針對(duì)具體應(yīng)用、可以提供極強(qiáng)競爭力的產(chǎn)品功能特性方面。
在中國，總耗電量中的約60％都為驅(qū)動(dòng)機(jī)電設(shè)備的電機(jī)所消耗，如水泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)。而如果采用能量效率高的電極和電子運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，則電機(jī)的能量消耗可以節(jié)約10％。
　　這些電力都為工業(yè)過程所消耗，但是中國的居民用電也占了相當(dāng)大的比重。1985年，冰箱的數(shù)量為400萬臺(tái)，1996年增長到6000萬臺(tái)，現(xiàn)在則消耗了居民用電總量的一半。ii此外，空調(diào)的使用量也在增長，從1995年8臺(tái)/百戶增加到2000年31/百戶。iii顯然，能量利用率高的電力電子技術(shù)的巨大商機(jī)就存在于節(jié)能型運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)中。

　　對(duì)于大多數(shù)變速電器應(yīng)用來說，永磁（PM）電機(jī)是首選的技術(shù)。PM電機(jī)技術(shù)損耗更低和單位電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩更高的特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)者能夠選用一個(gè)尺寸較小、重量更輕和成本更低的電機(jī)，而可變速的工作模式可以降低其機(jī)械振動(dòng)，提高可靠性和壽命，同時(shí)減少聲學(xué)噪聲。
成本和性能方面的考慮
　　在目前已經(jīng)為無刷AC電機(jī)開發(fā)出的成熟調(diào)速技術(shù)中，梯形電流波形控制技術(shù)在高速區(qū)存在一定的限制，而且由于電流波形呈矩形，無法產(chǎn)生平滑的力矩輸出。另外一種方法，基于正弦電流波形的磁場定向控制（Field Oriented Control，F(xiàn)OC）技術(shù)將可以提供更出色的全性能。這一技術(shù)一般是通過在數(shù)學(xué)上將所期望的電流值從定子域變換為轉(zhuǎn)子域，然后再將所期望的電壓值從轉(zhuǎn)子域變換為定子域來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)變化后的結(jié)果還可以進(jìn)行進(jìn)一步然而，完善一個(gè)FOC算法，使之能在微控制器或者DSP上運(yùn)行，就需要開發(fā)者在電機(jī)控制和軟件代碼編寫方面具有寬厚的專業(yè)素養(yǎng)。在所面對(duì)的多方面的挑戰(zhàn)中，電機(jī)電流采用的時(shí)間控制非常關(guān)鍵，而且取決于具體設(shè)計(jì)的PWM時(shí)序關(guān)系。雖然現(xiàn)售的算法一般可以提供速度更快和成本更低的解決方案，但執(zhí)行FOC算法所需的資源往往要占用許多有現(xiàn)貨提供的DSP的處理器容量。
　　使用現(xiàn)成的算法也使得電機(jī)控制設(shè)計(jì)在更多方面的問題無法得到解決，包括電力電子的設(shè)計(jì)、模擬電流的敏感、電源管理、保護(hù)和整個(gè)解決方案的集成。
集成化的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)
　　International Rectifier已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)基于通過寄存器定義的混合模式控制器IC的設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖1），該平臺(tái)被稱為iMOTION*，集成了若干關(guān)鍵的功能，包括通過硬件實(shí)現(xiàn)的FOC算法，以支持無傳感器電機(jī)速度和位置控制。在同一塊芯片上集成了一個(gè)60MIPS 微控制器，從而在運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上引入了應(yīng)用層代碼的執(zhí)行。該代碼是通過第三方C和ASM工具開發(fā)的，因?yàn)镸CU是基于廣為人知的8051內(nèi)核構(gòu)建的。應(yīng)用也可以在獨(dú)立于MCE定義的情況下進(jìn)行修改；MCE于是實(shí)際上成為應(yīng)用的處理器的一個(gè)從屬。由于片上集成了8051，電機(jī)速度的設(shè)計(jì)和應(yīng)用層功能的運(yùn)行，包括順序控制和與UART、I2C/SPI、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、捕捉和數(shù)字I/O外設(shè)的通信，都不再需要系統(tǒng)添加一個(gè)外部的控制器。
　
                                圖1：iMOTION數(shù)字化控制IC

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　　最新一代的控制器IC也集成了模擬信號(hào)調(diào)理和變換功能，成為一個(gè)混合模式的控制器IC，進(jìn)一步減少了實(shí)現(xiàn)完整的控制器設(shè)計(jì)時(shí)所需的元件數(shù)量。用于直接測量外部電流敏感電阻兩端的電壓降的五個(gè)運(yùn)放及其相關(guān)的增益電路，都在芯片上得到實(shí)現(xiàn)，而這些元件通常是以外部元件的形式實(shí)現(xiàn)的；片上還集成了一個(gè)12bit ADC以實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流的重構(gòu)。通過這種方式， iMOTION混合?？刂破鱅C將無傳感器控制所需要的分立元件的數(shù)量縮減為單個(gè)敏感電阻和4個(gè)設(shè)定差分放大器增益的電阻。
　　兼容的模擬接口和功率模塊使設(shè)計(jì)平臺(tái)變得完整，讓設(shè)計(jì)者能在不必編寫軟件代碼的情況下快速完成全套PM電機(jī)控制器的配置，使之實(shí)現(xiàn)各種功能，如控制對(duì)電流采樣電阻進(jìn)行時(shí)間要求嚴(yán)格的采樣。電力電子設(shè)計(jì)、模擬設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成任務(wù)也可以從設(shè)計(jì)者的任務(wù)列表中刪去，這有助于快速、高效地實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的電機(jī)控制解決方案，該方案可保證單位驅(qū)動(dòng)電流能產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩并保證安靜的工作，而且所需外接元件數(shù)很少。
數(shù)字控制要求
　　數(shù)字FOC算法是由混合模式控制器IC內(nèi)部一個(gè)定制化的處理內(nèi)核執(zhí)行的，該IR被稱為運(yùn)動(dòng)控制引擎（Motion Control Engine，MCE）。該MCE所執(zhí)行的各種行為，包括了在11s內(nèi)對(duì)完整的正弦FOC循環(huán)的計(jì)算。對(duì)于驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的、在很寬范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩和速度控制技術(shù)來說，這一速度已經(jīng)足夠了。于是，現(xiàn)在單片控制器IC可以執(zhí)行應(yīng)用所需要完成的所有數(shù)字處理任務(wù)，例如空調(diào)器應(yīng)用就需要對(duì)風(fēng)扇和壓縮機(jī)進(jìn)行有效地控制。該設(shè)計(jì)還有充裕的處理能力，可以在片上執(zhí)行數(shù)字功率因數(shù)修正，從而可以進(jìn)一步取消一批外接的元件。
　　MCE可以通過寄存器來進(jìn)行定義，以便滿足特定的系統(tǒng)參數(shù)。然而，由于FOC轉(zhuǎn)矩控制環(huán)路在硬件方面已經(jīng)得到了優(yōu)化，客戶的工程師只需要對(duì)更外圈的速度和位置環(huán)路進(jìn)行定制化，以便完成任何具體項(xiàng)目的數(shù)字設(shè)計(jì)任務(wù)。這可以通過一件基于PC的配置工具方面地實(shí)現(xiàn)。
iMOTION模擬和功率模塊
　　與數(shù)字控制和電力電子模塊兼容的3相模擬驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)IC，也作為iMotion 平臺(tái)的一部分提供。這些IC包含3個(gè)獨(dú)立的、內(nèi)置陰極負(fù)載二極管（bootstrap diode）的600V半橋逆變器柵驅(qū)動(dòng)器（inverter gate driver）。這樣的集成水平所帶來的好處包括參數(shù)的匹配性，如高端和低端通道的傳輸延遲方面的匹配。這些參數(shù)在產(chǎn)品的整個(gè)壽命期中也可以保持穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)提供了死區(qū)插入（Deadtime insertion）功能和保護(hù)功能，包括逆變器的過流脫扣動(dòng)作和帶自動(dòng)故障清除功能的欠壓切斷保護(hù)（Lockout）。單獨(dú)的功率和信號(hào)地線連接可以在低端IGBT上實(shí)現(xiàn)單一的DC線配置，以完成電流敏感。設(shè)計(jì)中還有交叉導(dǎo)通保護(hù)，該功能可以防止意外出現(xiàn)的直通，從而提高逆變器的可靠性。
　　作為iMOTION系列產(chǎn)品的一部分而提供的功率開關(guān)元件，則是高效率的耗盡－阻止 Trench IGBT，它們可以構(gòu)成多種構(gòu)形，包括各種分立的和集成的模塊。與穿通（punch-through，PT）和非穿通（NPT） IGBT相比，這些器件展示了更低的集電極－發(fā)射極飽和電壓（VCE[OM]）和總開關(guān)損耗（ETS）。
開發(fā)工具與支持
　　為了簡化客戶的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，提供了基于iMOTIONTM平臺(tái)的開發(fā)系統(tǒng)。舉例來說，IRMCF3xx開發(fā)工具包括了多種參考設(shè)計(jì)，其中包含IRMCF3xx芯片以及一個(gè)與之相配套的iMOTION 功率級(jí)和附屬電路。這使得基本的功能度可以在項(xiàng)目的早期就得到驗(yàn)證，從而讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的注意力能夠快速轉(zhuǎn)向應(yīng)用開發(fā)。
　　所提供的控制器IC包含了8051內(nèi)核，到MCE的接口已經(jīng)載入了嵌入式軟件。該芯片還包括了MCE本身以及集成的模擬信號(hào)引擎。8051應(yīng)用的開發(fā)在C環(huán)境中完成，利用可以廣泛獲得的、在PC上運(yùn)行的開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)，而8051內(nèi)核可以通過所提供的JTAG端口下載。
MCE可以在無需代碼的情況下完成快速配置。用戶只需簡單地將高層次的參數(shù)輸入“驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算器”（Drive Parameter Calculator）即可。在MCEDesigner™工具的控制下，這些數(shù)據(jù)隨后被自動(dòng)地轉(zhuǎn)換為恰當(dāng)?shù)臄?shù)值，并被寫入8051主控寄存器接口中。MCEDesigner 作為iMOTION平臺(tái)的一部分提供。
　　將MCE IP和相關(guān)的應(yīng)用層以及模擬信號(hào)調(diào)理功能嵌入到一系列控制器IC中，將可以顯著地降低針對(duì)特定應(yīng)用的調(diào)速電機(jī)控制的開發(fā)中所隱藏的成本和風(fēng)險(xiǎn)。這些將包括各種調(diào)速功能能發(fā)揮其作用的設(shè)備類型，這些設(shè)備的能量效率、成本、尺寸的縮減或者功能的增強(qiáng)等方面都將在不同程度上受益于調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)。潛在的應(yīng)用包括家用電器、風(fēng)扇和泵。每項(xiàng)針對(duì)專門應(yīng)用的控制器都將附帶iMOTION系列中的各種兼容的模擬和功率元件，以及包含實(shí)現(xiàn)快速和高效應(yīng)用開發(fā)所需的全部硬件的參考設(shè)計(jì)。
應(yīng)用實(shí)例：一個(gè)具有95％效率的空調(diào)設(shè)計(jì)
　　為了理解iMOTION的優(yōu)點(diǎn)，不妨考慮一個(gè)空調(diào)器產(chǎn)品的實(shí)例。這種產(chǎn)品的優(yōu)值是性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP），它描述的是加熱或者制冷功率與輸入功率之比。研究表明，把帶開－關(guān)控制的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)更換為基于永磁電機(jī)的調(diào)速壓縮機(jī)，可以將CoP改善300％。不過，這一更好的性能必須在成本不變或者小幅上升的前提下提供給最終用戶。
為了幫助這一切換的實(shí)現(xiàn)，IRMCF312使用了MCE架構(gòu)，以集成無傳感器電機(jī)速度和位置控制，外加數(shù)字式PFC控制，并取消了傳統(tǒng)的空調(diào)控制系統(tǒng)所需要的獨(dú)立的風(fēng)扇控制器和單獨(dú)的模擬PFC控制功能。圖2示出了其內(nèi)部框圖。
　
                                 圖2  IRMCF312框圖 

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　　圖中：Host Interface——主控接口，Monitoring——監(jiān)測，Emulator Debugger——仿真調(diào)試器，Xtal——晶振，Microcontroller——微控制器，Program RAM——程序RAM，8bit CPU Core——8bit CPU內(nèi)核，Local RAM——本機(jī)RAM，Interrupt Control——中斷控制，Motion Control Engine——運(yùn)動(dòng)控制引擎，Dual Port RAM——雙端口RAM，MCE Program RAM——MCE程序RAM，Motion Control Modulus——運(yùn)動(dòng)控制模塊，Dual Channel Low Loss SVPWM——雙通道低損耗SVPWM， Single Shunt Current Sensing——單旁路電流敏感，To #1 Motor——接＃1電機(jī)，To＃2 Motor——接＃2電機(jī)
　　IGBT gate drive——IGBT柵驅(qū)動(dòng)，＃1 Motor Shunt register——＃1電機(jī)旁路寄存器，＃2 Motor Shunt register——＃2電機(jī)旁路寄存器，AC line Volt Sensing——交流電壓敏感，Other Analog Input——其他模擬輸入。Motion Control Sequencer——運(yùn)動(dòng)順序控制器，Op amp——運(yùn)放

　　與IR2136高壓IC相結(jié)合后，這一方案可以實(shí)現(xiàn)一種成本經(jīng)濟(jì)性好、高效率的空調(diào)室外機(jī)設(shè)計(jì)。該IC集成了3路獨(dú)立的600V半橋式逆變器柵驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)帶保護(hù)功能，如逆變過流脫扣和帶自動(dòng)故障清除功能的欠壓切斷保護(hù)。該模擬柵驅(qū)動(dòng)器在整個(gè)產(chǎn)品壽命期內(nèi)都可以保證參數(shù)的穩(wěn)定性和參數(shù)的匹配性，例如高端和低端通道的傳輸延遲、死區(qū)插入。單獨(dú)的電源和信號(hào)地連接可以在低端IGBT上實(shí)現(xiàn)單DC線配置，以形成電流敏感。交叉導(dǎo)通保護(hù)則防止了偶發(fā)性的直通，提供了逆變的可靠性。

　　設(shè)計(jì)了新的高壓IC，以便與IR公司覆蓋面廣的高效率的耗盡阻止 Trench IGBT，這些設(shè)計(jì)采用了豐富的結(jié)構(gòu)類型，包括分立的和集成的模塊。與穿通（PT）和非穿通（NPT）的IGBT相比，Trench IGBT的集電極－發(fā)射極飽和電壓VCE(ON)以及總的開關(guān)損耗ETS更低。
圖3示出了完整的、基于iMOTION™的空調(diào)室外機(jī)設(shè)計(jì)。該芯片組取消了10個(gè)以上的有源元件，包括一個(gè)PFC控制器，從而簡化了設(shè)計(jì)。
　
　　Figure 3:  iMOTION Based Outdoor Unit Design  圖3  基于iMOTION™的室外機(jī)設(shè)計(jì)
　　圖中：AC Input——交流電輸入，F(xiàn)ield Service——現(xiàn)場服務(wù)，Galvanic Isolation——電隔離，Communication to Indoor Unit——與室內(nèi)機(jī)的通信，IGBT Inverter——IGBT 逆變器，F(xiàn)REDFET Inverter——FREDFET逆變器，Power Supply——電源，User Parameter Storage——用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，Analog Input——模擬輸入，Analog Output——模擬輸出，Temperature Feedback——溫度反饋，Analog Actuators——模擬執(zhí)行器，Relay，Valve，Switches——繼電器、閥、開關(guān)。Compressor Motor——壓縮機(jī)電機(jī)，F(xiàn)an Motor——風(fēng)扇電機(jī)

　　MCE  數(shù)字PFC算法控制了輸入PFC電路。IRMCF312控制了兩臺(tái)無位置傳感器的電機(jī)，其每臺(tái)電機(jī)的DC連接上只需要一個(gè)旁路電阻即可。
             　
　        Figure 4: Inverter-plus PFC efficiency
　　圖4示出了在AC輸入和逆變器輸出功率測量值基礎(chǔ)上得到的逆變器＋PFC效率數(shù)據(jù)。PFC工作在連續(xù)電流模式下，其數(shù)字計(jì)算刷新速率為20kHz，PWM載波頻率為40kHz。PFC＋逆變器組合的總效率超過了95％。
   　　
　　　Figure 5:  Efficiency Test Result (PFC + Compressor Inverter) 
　              　圖5  效率測試結(jié)果（PFC＋壓縮機(jī)逆變器）

　　圖中：橫坐標(biāo)軸：電機(jī)輸入功率（kW），縱軸：功率板卡效率（PFC＋I(xiàn)NV），圖題：Efficiency Comparison @5200rpm——效率比較@5200rpm。