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IRMCF3XX-变频家电设计工程师的利器

发布时间:2011-11-09 21:13:16
摘要:随着全球能源的愈发紧张,家电行业的变频控制势在必行。本文介绍了IR公司的IRMCF3XX系列电机控制专用芯片在变频家电中的应用。该系列芯片集成了8051核以及MCE核(电机控制引擎),同时具备了硬件的快速性和软件的灵活性,可以说是变频家电设计工程师手中的利器。文章以IRMCF341在变频空调中使用为例,详细地讲述了直流变频空调压缩机驱动器的设计过程,对其中涉及到的技术细节,如FOC矢量控制,单电阻采样,无传感器技术等作了较深入的剖析。
 
关键字:IRMCF341 变频矢量控制无传感器控制
 
1、概述
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。
 
2、变频的相关技术背景
2.1、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。
 
2.2、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。
 
2.3、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。
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