用于節能電機控制的iMOTIONTM 綜合設計平臺

　　據美國電力研究學(xué)會(huì )(EPRI)的數據,在泵、空調、冰箱、洗衣機、電梯和傳送機中所使用的電機，在整個(gè)世界的電力消耗中占一半以上。 現在國際上在政府層都已認識到這一事實(shí)，出現了如美國能源之星和歐盟生態(tài)標簽體系之類(lèi)的方案，以鼓勵消費者和商家去尋求環(huán)保型的產(chǎn)品。

節能可變速率

　　這種設備的主體由估計會(huì )浪費多達供應電能60%的感應電機控制，因為它們使用廉價(jià)的機電驅動(dòng)器，驅動(dòng)電機的運行方式只有全速或停止兩種。 采用永磁同步電機(PMSM)更易于變?yōu)榭勺兯龠\行，這樣能夠大幅降低這種浪費。 來(lái)自國際能源展望的數據說(shuō)明，有望在世界經(jīng)濟范圍內節約3500億英磅。

　　變速驅動(dòng)器的額外益處還包括更低的聲覺(jué)和電子噪音，以及更低的震動(dòng)程度。 在有些情況下，與開(kāi)/關(guān)式驅動(dòng)相比，可配置體積較小、功率更低的電機。 因為能夠精確控制電機，設計者可應用新的特性或功能以進(jìn)一步使其市場(chǎng)上的產(chǎn)品多樣化。

　　因此，出于環(huán)保和促銷(xiāo)的原因，設計者會(huì )極為敏銳地在下一代家電中應用變速電機驅動(dòng)。 然而，變速電機需要比傳統的開(kāi)/關(guān)式總電機更為精密的驅動(dòng)和控制電路，增加了設計程序的復雜程度。 這種復雜性使大多數OEM無(wú)法在內部開(kāi)發(fā)。 不過(guò)，由于有面市時(shí)間和成本的限制，就意味著(zhù)購買(mǎi)預封裝的成品電機驅動(dòng)系統集成器一般是不可行的。 因此，出現了對于變速電機驅動(dòng)設計和應用的新方法的需求，要求其可降低其成本、時(shí)間和相關(guān)的風(fēng)險。

　　要滿(mǎn)足這一需求，International Rectifier公司推出了電機控制應用的iMOTION平臺。iMOTION隨IP 和軟件工具一起，為開(kāi)發(fā)者提供了兼容硬件“構件塊”，可快速組合成形，構建特定應用的變速電機驅動(dòng)。

iMOTION控制器

　　圖1展示了iMOTIONTM綜合設計平臺的各元件構建完整的運動(dòng)控制解決方案基礎的方式。 在設計的核心部分是一個(gè)專(zhuān)用的控制集成電路，結合了一個(gè)叫做運動(dòng)控制器(MCE)的IP模塊，可執行所有硬件中封閉回路控制所需的控制動(dòng)作，由此便在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者所承擔的責任中免除了軟件開(kāi)發(fā)這一部分。

　　運動(dòng)硬件周邊支持空間矢量PWM，且電機電流回饋連接，以及用于并行多回路控制的流量控制邏輯也在芯片內進(jìn)行。使用一個(gè)可對內部寄存器進(jìn)行配置的基于PC的軟件工具，設計者可以快速優(yōu)化集成電路以適應選定電機參數及其他系統參數。
這種共集成8051基的8位MCU運行該應用程序,可與電機控制運算規則獨立運行。這樣可使開(kāi)發(fā)者不必為了開(kāi)發(fā)應用程序而成為電機控制的專(zhuān)家。不過(guò)，MCE和8051MCU共享一個(gè)雙口RAM，可使控制器設定點(diǎn)從應用程序內部中運行時(shí)被加以調整。對于如力矩電流(IQ)之類(lèi)的控制變量也可方便地進(jìn)行監控。

　　電機控制運算規則亦可在MCE硬件中快速執行，而不會(huì )過(guò)度消耗電力。實(shí)際上，這一步可以約11ms內完成，此速度已足夠實(shí)現空調系統中風(fēng)扇和壓縮機電機的同步控制。

　　圖1中所示的模擬模塊負責通過(guò)一個(gè)外部分流電阻感應電機相位，并將電流信息轉化為適于在低壓電路中傳輸的數字信號。在最新的設計平臺上，因為有位于直流連接底側的單電流感應器，所以不必使用絕緣電壓。

　　適當的A/D取樣定時(shí)可以從通過(guò)直流連接分流器的信號中提取三相電機的電流。

　
圖1  iMOTION綜合設計平臺

　　IMOTION平臺使您可以選擇一種帶有多向集成IGBT開(kāi)關(guān)的智能功率模塊(IPM)解決方案，以及可使用離散IGBT的三相驅動(dòng)器。IR的專(zhuān)利高壓集成電路(HVIC)技術(shù)，使iMOTION IPM和驅動(dòng)器可直接連接數字控制集成電路和額定電壓為600伏的IGBT。包括關(guān)機、過(guò)載保護和溫度感應之類(lèi)的IGBT保護功能也已提供。

運動(dòng)控制器內部構造

　　MCE使用無(wú)感應磁場(chǎng)定向控制(FOC)以控制PMSM的速度和力矩。FOC使用旋轉矢量將交流電機繞組電流解耦為兩支直流組件控制力矩(IQ)和流量(ID)。這樣便簡(jiǎn)化了控制器設計，因為電流回路調諧已與電機速度互相獨立開(kāi)來(lái)。

　　圖2說(shuō)明了FOC在IR的MCE硬件中執行的原理。外部速度回路計算出基于速度錯誤的IQ回路的力矩引用命令。在速度回路的輸入中還有一個(gè)RAMP功能，可限規定范圍內的加速，在輸出上也有一個(gè)LIMIT功能，可限定電機電流。還包括一個(gè)額外控制功能，可在驅動(dòng)內部永磁體(IPM)電機時(shí)實(shí)現相位增強以使力矩輸出最大化。流量參考值在低速上設置為零，以使每安普扭矩最大化，但也可設為負值，以減弱高速運行的流量。磁場(chǎng)削弱運算規則可計算優(yōu)化的ID參考電流，從而使可用導向電壓的利用最大化。

　
圖2 MCE內部結構

配置MCE

　　通過(guò)使用基于PC的MCEDesignerTM圖形編輯工具從可用MCE功能的庫中進(jìn)行選擇，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者可快速定制運算規則以滿(mǎn)足特定性能要求。在選擇時(shí)，有一個(gè)專(zhuān)用的編碼程序將所需的電機控制功能編譯為MCE定序器指令，它可以正確序列連接硬件宏模塊來(lái)執行控制系統。由此便減少了設計錯誤并可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。設計工具包括有運行在8051微控制器上的通訊工具軟件，可以為共享內存中的控制參數和系統變量提供MCEDesigner通道。這樣無(wú)需修改或編譯軟件，便可修改控制器設計點(diǎn)和控制回路增益以及其他常數。

應用優(yōu)先的數字控制

　　MCE可在很大范圍內許多不同的應用需求中，作為內嵌模塊使用。例如，可使開(kāi)發(fā)者得以更方便地使用iMOTION平臺。IR推出了內含MCE的專(zhuān)用控制集成電路，已為洗衣機、空調和泵的應用做出專(zhuān)門(mén)優(yōu)化。

　　IRMCF341專(zhuān)為洗衣機應用做出了優(yōu)化設計。除內嵌的MCE IP之外，這種設備集成了低功耗的空間矢量PWM模塊，用于直接連接到其中一個(gè)iMOTION IGBT柵極驅動(dòng)器。還集成了一個(gè)單向并聯(lián)電流重組電路，可使并聯(lián)電阻器直接連接至集成電路，無(wú)需額外的外部模擬或數字電路。

　　用于空調應用的IRMFC312使用基于MCE的電路控制運算進(jìn)行兩個(gè)無(wú)感應永磁同步電機的速度控制以及數字PFC控制。在芯片內提供的兩個(gè)PWM輸出適于直接連接到iMOTION IGBT柵極驅動(dòng)器，用于一般在壓縮機中使用的內部永磁(IPM)電機，并連接到一個(gè)表面型(SPM)電機，通常用于驅動(dòng)風(fēng)扇。

　　在最近，IR又增加了IRMCF371，這是為泵應用而專(zhuān)門(mén)優(yōu)化設計的。所使用的柵極驅動(dòng)器為IRAMS06UP60B，一種緊湊型的IPM，可單列直插式(SIP1)封裝的三相變頻 IC 驅動(dòng)器。圖3展示了在泵應用中情況。這些產(chǎn)品定位于可自動(dòng)調節配置以適應系統所需壓力的變速智能泵。這種泵可以比固定速率泵的遠為高效，每年可實(shí)現20%至50%的潛在節能效果。

　
圖3   智能水泵設計

結論： 效率催化劑

　　不斷增加的國內能源價(jià)格會(huì )刺激節能型家電的市場(chǎng)需求，如洗衣機、洗碗機等。另一方面，直接立法會(huì )影響服務(wù)方式的變化，如空調部件和電機驅動(dòng)的凈水和廢水泵管理，這在新的建筑項目中都是具體化的內容。比如，強制執行可持續住房以使節能系統利用最大化的壓力，在整個(gè)歐洲和北美都十分緊迫。例如在有些地區，變速泵已經(jīng)成為新建筑中的規定用泵。

　　市場(chǎng)和立法部門(mén)的聯(lián)合影響，會(huì )要求更為精密的電機控制器快速而且劃算，正如由iMOTION綜合設計平臺所推出的一樣。