基于集成化電機控制平臺的節能解決方案

　　OEM們正在期待著(zhù)調速電機驅動(dòng)技術(shù)能夠最大限度提高從家用電器到空調器的各種產(chǎn)品的效率。工程師們所面臨的挑戰在于，變速電機驅動(dòng)解決方案的實(shí)現，并非一個(gè)輕而易舉的任務(wù)，開(kāi)發(fā)工作的復雜性和成本都大為增加，這個(gè)事實(shí)與僅以略高于傳統設計的成本提供產(chǎn)品如下的需求是相矛盾的。不過(guò)，現在功率半導體技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，連同混合信號集成方面的進(jìn)步，共同模塊化的解決方案的發(fā)展，這些解決方案可以讓工程師們縮短復雜的調速電機驅動(dòng)設計的開(kāi)發(fā)時(shí)間和所需的元件數量，并讓他們能無(wú)牽無(wú)掛，把注意力集中在專(zhuān)門(mén)針對具體應用、可以提供極強競爭力的產(chǎn)品功能特性方面。

　　在中國，總耗電量中的約60%都為驅動(dòng)機電設備的電機所消耗，如水泵、風(fēng)機和壓縮機。而如果采用能量效率高的電極和電子運動(dòng)控制技術(shù)，則電機的能量消耗可以節約10%。

　　這些電力都為工業(yè)過(guò)程所消耗，但是中國的居民用電也占了相當大的比重。1985年，冰箱的數量為400萬(wàn)臺，1996年增長(cháng)到6000萬(wàn)臺，現在則消耗了居民用電總量的一半。此外，空調的使用量也在增長(cháng)，從1995年8臺/百戶(hù)增加到2000年31/百戶(hù)。顯然，能量利用率高的電力電子技術(shù)的巨大商機就存在于節能型運動(dòng)控制架構中。

　　對于大多數變速電器應用來(lái)說(shuō)，永磁(PM)電機是首選的技術(shù)。PM電機技術(shù)損耗更低和單位電流所產(chǎn)生的轉矩更高的特點(diǎn)使得設計者能夠選用一個(gè)尺寸較小、重量更輕和成本更低的電機，而可變速的工作模式可以降低其機械振動(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(wú)刷AC電機開(kāi)發(fā)出的成熟調速技術(shù)中，梯形電流波形控制技術(shù)在高速區存在一定的限制，而且由于電流波形呈矩形，無(wú)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(chǎng)定向控制(Field Oriented Control，FOC)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(guò)在數學(xué)上將所期望的電流值從定子域變換為轉子域，然后再將所期望的電壓值從轉子域變換為定子域來(lái)實(shí)現的。對變化后的結果還可以進(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上運行，就需要開(kāi)發(fā)者在電機控制和軟件代碼編寫(xiě)方面具有深厚的專(zhuān)業(yè)素養。在所面對的多方面的挑戰中，電機電流采用的時(shí)間控制非常關(guān)鍵，而且取決于具體設計的PWM時(shí)序關(guān)系。雖然現售的算法一般可以提供速度更快和成本更低的解決方案，但執行FOC算法所需的資源往往要占用許多有現貨提供的DSP的處理器容量。

　　使用現成的算法也使得電機控制設計在更多方面的問(wèn)題無(wú)法得到解決，包括電力電子的設計、模擬電流的敏感、電源管理、保護和整個(gè)解決方案的集成。

　　集成化的運動(dòng)控制平臺

　　International Rectifier已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)基于通過(guò)寄存器定義的混合模式控制器IC的設計平臺(圖1)，該平臺被稱(chēng)為iMOTION，集成了若干關(guān)鍵的功能，包括通過(guò)硬件實(shí)現的FOC算法，以支持無(wú)傳感器電機速度和位置控制。在同一塊芯片上集成了一個(gè)60MIPS 微控制器，從而在運動(dòng)控制平臺上引入了應用層代碼的執行。該代碼是通過(guò)第三方C和ASM工具開(kāi)發(fā)的，因為MCU是基于廣為人知的8051內核構建的。應用也可以在獨立于MCE定義的情況下進(jìn)行修改;MCE于是實(shí)際上成為應用的處理器的一個(gè)從屬。由于片上集成了8051，電機速度的設計和應用層功能的運行，包括順序控制和與UART、I2C/SPI、定時(shí)器/計數器、捕捉和數字I/O外設的通信，都不再需要系統添加一個(gè)外部的控制器。

　　最新一代的控制器IC也集成了模擬信號調理和變換功能，成為一個(gè)混合模式的控制器IC，進(jìn)一步減少了實(shí)現完整的控制器設計時(shí)所需的元件數量。用于直接測量外部電流敏感電阻兩端的電壓降的五個(gè)運放及其相關(guān)的增益電路，都在芯片上得到實(shí)現，而這些元件通常是以外部元件的形式實(shí)現的;片上還集成了一個(gè)12bit ADC以實(shí)現電機電流的重構。通過(guò)這種方式， iMOTION混合?？刂破鱅C將無(wú)傳感器控制所需要的分立元件的數量縮減為單個(gè)敏感電阻和4個(gè)設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計平臺變得完整，讓設計者能在不必編寫(xiě)軟件代碼的情況下快速完成全套PM電機控制器的配置，使之實(shí)現各種功能，如控制對電流采樣電阻進(jìn)行時(shí)間要求嚴格的采樣。電力電子設計、模擬設計和系統集成任務(wù)也可以從設計者的任務(wù)列表中刪去，這有助于快速、高效地實(shí)現高品質(zhì)的電機控制解決方案，該方案可保證單位驅動(dòng)電流能產(chǎn)生高轉矩并保證安靜的工作，而且所需外接元件數很少。

　　數字控制要求

　　數字FOC算法是由混合模式控制器IC內部一個(gè)定制化的處理內核執行的，該IR被稱(chēng)為運動(dòng)控制引擎(Motion Control Engine，MCE)。該MCE所執行的各種行為，包括了在11ms內對完整的正弦FOC循環(huán)的計算。對于驅動(dòng)兩臺電機的、在很寬范圍內的轉矩和速度控制技術(shù)來(lái)說(shuō)，這一速度已經(jīng)足夠了。于是，現在單片控制器IC可以執行應用所需要完成的所有數字處理任務(wù)，例如空調器應用就需要對風(fēng)扇和壓縮機進(jìn)行有效地控制。該設計還有充裕的處理能力，可以在片上執行數字功率因數修正，從而可以進(jìn)一步取消一批外接的元件。

　　MCE可以通過(guò)寄存器來(lái)進(jìn)行定義，以便滿(mǎn)足特定的系統參數。然而，由于FOC轉矩控制環(huán)路在硬件方面已經(jīng)得到了優(yōu)化，客戶(hù)的工程師只需要對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目的數字設計任務(wù)。這可以通過(guò)一件基于PC的配置工具方面地實(shí)現。

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　　iMOTION模擬和功率模塊

　　與數字控制和電力電子模塊兼容的3相模擬驅動(dòng)器和保護IC，也作為iMotion 平臺的一部分提供。這些IC包含3個(gè)獨立的、內置陰極負載二極管(bootstrap diode)的600V半橋逆變器柵驅動(dòng)器(inverter gate driver)。這樣的集成水平所帶來(lái)的好處包括參數的匹配性，如高端和低端通道的傳輸延遲方面的匹配。這些參數在產(chǎn)品的整個(gè)壽命期中也可以保持穩定性。設計提供了死區插入(Deadtime insertion)功能和保護功能，包括逆變器的過(guò)流脫扣動(dòng)作和帶自動(dòng)故障清除功能的欠壓切斷保護(Lockout)。單獨的功率和信號地線(xiàn)連接可以在低端IGBT上實(shí)現單一的DC線(xiàn)配置，以完成電流敏感。設計中還有交叉導通保護，該功能可以防止意外出現的直通，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(kāi)關(guān)元件，則是高效率的耗盡-阻止 Trench IGBT，它們可以構成多種構形，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[ON])和總開(kāi)關(guān)損耗(ETS)。

　　開(kāi)發(fā)工具與支持

　　為了簡(jiǎn)化客戶(hù)的設計負擔，提供了基于iMOTION平臺的開(kāi)發(fā)系統。舉例來(lái)說(shuō)，IRMCF3xx開(kāi)發(fā)工具包括了多種參考設計，其中包含IRMCF3xx芯片以及一個(gè)與之相配套的iMOTION 功率級和附屬電路。這使得基本的功能度可以在項目的早期就得到驗證，從而讓設計團隊的注意力能夠快速轉向應用開(kāi)發(fā)。

　　所提供的控制器IC包含了8051內核，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引擎。8051應用的開(kāi)發(fā)在C環(huán)境中完成，利用可以廣泛獲得的、在PC上運行的開(kāi)發(fā)工具實(shí)現，而8051內核可以通過(guò)所提供的JTAG端口下載。

　　MCE可以在無(wú)需代碼的情況下完成快速配置。用戶(hù)只需簡(jiǎn)單地將高層次的參數輸入“驅動(dòng)參數計算器”(Drive Parameter Calculator)即可。在MCEDesigner工具的控制下，這些數據隨后被自動(dòng)地轉換為恰當的數值，并被寫(xiě)入8051主控寄存器接口中。MCEDesigner 作為iMOTION平臺的一部分提供。

　　將MCE IP和相關(guān)的應用層以及模擬信號調理功能嵌入到一系列控制器IC中，將可以顯著(zhù)地降低針對特定應用的調速電機控制的開(kāi)發(fā)中所隱藏的成本和風(fēng)險。這些將包括各種調速功能能發(fā)揮其作用的設備類(lèi)型，這些設備的能量效率、成本、尺寸的縮減或者功能的增強等方面都將在不同程度上受益于調速功能的實(shí)現。潛在的應用包括家用電器、風(fēng)扇和泵。每項針對專(zhuān)門(mén)應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)現快速和高效應用開(kāi)發(fā)所需的全部硬件的參考設計。

　　應用實(shí)例：一個(gè)具有95%效率的空調設計

　　為了理解iMOTION的優(yōu)點(diǎn)，不妨考慮一個(gè)空調器產(chǎn)品的實(shí)例。這種產(chǎn)品的優(yōu)值是性能系數(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(kāi)-關(guān)控制的感應電機驅動(dòng)的壓縮機更換為基于永磁電機的調速壓縮機，可以將CoP改善300%。不過(guò)，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(hù)。

　　為了幫助這一切換的實(shí)現，IRMCF312使用了MCE架構，以集成無(wú)傳感器電機速度和位置控制，外加數字式PFC控制，并取消了傳統的空調控制系統所需要的獨立的風(fēng)扇控制器和單獨的模擬PFC控制功能。圖2示出了其內部框圖。

　　與IR2136高壓IC相結合后，這一方案可以實(shí)現一種成本經(jīng)濟性好、高效率的空調室外機設計。該IC集成了3路獨立的600V半橋式逆變器柵驅動(dòng)器，內帶保護功能，如逆變過(guò)流脫扣和帶自動(dòng)故障清除功能的欠壓切斷保護。該模擬柵驅動(dòng)器在整個(gè)產(chǎn)品壽命期內都可以保證參數的穩定性和參數的匹配性，例如高端和低端通道的傳輸延遲、死區插入。單獨的電源和信號地連接可以在低端IGBT上實(shí)現單DC線(xiàn)配置，以形成電流敏感。交叉導通保護則防止了偶發(fā)性的直通，提供了逆變的可靠性。

　　設計了新的高壓IC，以便與IR公司覆蓋面廣的高效率的耗盡阻止 Trench IGBT，這些設計采用了豐富的結構類(lèi)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(kāi)關(guān)損耗ETS更低。

　　圖3示出了完整的、基于iMOTION的空調室外機設計。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(jiǎn)化了設計。

　　MCE 數字PFC算法控制了輸入PFC電路。IRMCF312控制了兩臺無(wú)位置傳感器的電機，其每臺電機的DC連接上只需要一個(gè)旁路電阻即可。