IR370電動機控制設計平臺

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

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

成本和性能考慮

在使用霍耳效應傳感器或者反電動勢傳感器來實現(xiàn)無刷交流電動機的梯形電流控制技術中，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，因為正弦電動機電流能產(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，還將作進一步的處理，比如在電流值上的比例積分運算。

然而，完善FOC算法器以實現(xiàn)在微型處理器或者DSP(數(shù)字信號處理器)中的執(zhí)行，需要在電動機控制和軟件編碼技術上有豐富的經(jīng)驗。在設計中，電動機電流取樣的計時是至關重要的，它依賴于設計中PWM(脈沖寬度調(diào)制)計時。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計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擔。

使用一個現(xiàn)成的算法器也不能解決電動機控制設計的其它方面，包括電子電路的設計、模擬測流、電源管理、過電流和過電壓保護、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實現(xiàn)無傳感器電動機速度和位置控制。FOC作為有標塊的行程控制引擎(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，一臺設備(諸如一臺空調(diào)裝置)的應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。還可以將該應用部件在行程控制以外獨立地加以修改，使其與行程控制成為一個模塊體系結(jié)構，作為應用處理器的從屬部分。在該設計中，60 MIPS的8051芯片具有在應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的速度傳遞給電路運行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，以便進一步減少設計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個運算放大器以及相關增益電路作為外部元件來使用，使其能夠直接地感應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)行電動機電流的復原。硬件計時器簡化了設計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。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計平臺更加完整，使快速配置整個永磁電動機控制器成為可能。電子電路設計以及系統(tǒng)集成任務是預先完成的，從而便于工程師快速完成電動機控制設計方案。

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)出了可變速電控設計平臺。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回路的計算。如此快速的計算速度使其能夠在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)對兩臺電動機轉(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)設備所要求的所有數(shù)字處理，這就需要對風扇和空壓機的電動機進行有效的控制。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。

因為FOC轉(zhuǎn)矩控制回路已經(jīng)在硬件中進行了優(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)字設計任務。在基于個人計算機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計任務。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

為了給對運行成本敏感的用戶帶來可變速電動機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)進行嚴密的匹配，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上進行單根直流線配置，用以執(zhí)行測流任務。內(nèi)置交叉?zhèn)鲗ПＷo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控制裝置的電源開關操作任務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模塊共同構成了一個行程控制元件的組合—iMOTION。以使用方便和快捷為設計理念，該設計平臺還納入了參考設計，它使得工程師能進一步簡化開發(fā)過程，以便集中精力于應用的開發(fā)工作。這將是未來能量效率型電動機控制的主要功能優(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)機的設計

目前，空調(diào)設備在能源消耗中仍占有較大比例，因為電動機運行效率低將導致CoP(制冷系數(shù))降低。根據(jù)實際使用系統(tǒng)的不同，將壓縮機更換成一臺永磁電動機型的可變速壓縮機，能夠?qū)oP提高甚至超過300%。

為了實現(xiàn)低成本高效率的設計應用，IRMCF312空調(diào)機控制器支持MCE結(jié)構體系，實現(xiàn)無傳感器的電動機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)機控制系統(tǒng)的分離式風扇控制器和分離式PFC控制功能。

圖3顯示了一個完整的基于iMOTION的室外空調(diào)機的設計，該設計主要是使用了IRMCF312。 結(jié)合IRS2136D高壓集成電路作為伴隨設施，該方案能設計成本低、效率高的室外空調(diào)機。該高壓集成電路包括了倒相IGBT柵驅(qū)動、過電流保護和欠電壓切斷功能。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上的倒相加PFC的效率數(shù)據(jù)。PFC是以恒向電流的模式運行，具有20KHz數(shù)字計算更新速度和40KHz的PWM載波頻率。PFC和倒相器的共同效率超過了95%。

該項應用的優(yōu)點還包括運行更安靜(由于使用了正弦電流控制)、使用元器件更少(降低了成本)、減少了維護需要和具有更長的使用壽命。