IRMCF341在变频家电上的应用

1.   概述
随着国际油价的不断攀升，人们越来越紧迫的认识到能源的重要性。如何高效，环保的利用能源是各个国家政府，学术界，工业界都非常注重的热点问题，各种鼓励节能减排的措施也层出不穷，节能俨然已成为现今社会的热点话题。降低电机的能源消耗又是这场战役的攻坚战，据权威统计全世界电机每年消耗的能源占全球每年能源消耗的80％以上，而这其中对我们影响最大的莫过于家电中的电机能源消耗，比如电冰箱，空调，洗衣机等。变频技术是降低电机能源消耗的一种有效手段，变频家电在西方发达国家早已占据了主流，日本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％，而我们国内变频家电的起步较晚，但最近几年发展迅猛，国内各大家电巨头陆续推出了各种变频家电产品，国务院发展研究中心市场经济研究所预测：到2010年变频空调将占据空调市场85％以上，有63％的消费者会选择变频空调。

变频家电的变频控制有多种实现方法，各有利弊，但哪种方法成本更低，效率更高，效果更好则是我们关心的问题。本文由浅至深介绍一种基于IRMCF341微控制器的无传感器的矢量控制技术变频家电的解决方案

2.   变频技术简介

通俗的讲变频技术是通过改变电机运行的交流电频率实现速度控制的技术。以空调压缩机为例目前主流的变频空调采用的电机都是直流电机，按其驱动波形分为方波电机和正弦波电机，针对这两种电机常用的有2种技术即120度控制技术和180度控制技术，即人们常说的方波驱动技术和正弦波驱动技术，下面就这两种技术作个简要的对比。

（1）120度控制技术：

120度控制技术是指任意时刻电机3相线只有2相导通，1相截止，表现在驱动波形上即在180度电周期内任1相线只连续通电 120度，60度截止。这种技术驱动波形为方波，采用常见6拍换向方法进行换向控制。具有算法简单,相对容易实现的优点,但同时也存在着一些缺点: 在转速和转矩发生变化时产生很大的转差率,导致大电流,即能耗比,效率低；转矩特性差,负载加大时会丢转速；低速转矩特性差,容易发生抖动。120度控制技术在早期的变频家电产品上有部分采用，但因其效率低，转矩特性差等问题先已逐步被180度控制技术取代。目前市场上最先进的180度控制技术是基于磁场定向矢量的变频技术

（2）基于FOC(磁场定向)的矢量变频控制系统：

其控制原理是通过一定的坐标转换可以对磁通和转矩直接控制，实现电流和转速的双闭环控制。具有可以在不产生大流的情况下实现快速的动态响应，即能耗比，效率高；转矩性能好，可以在不丢转速的情况下保证足够硬的转矩特性的点。但其电机控制算法相对复杂，实时要求性高，对软件人员要求高，主要应用于负载变化快，动态响应要求高的场合，如变频空调，洗衣机，机床控制系统等。

3. IRMCF341芯片简介

3.1 综述

IRMCF341 是美国国际整流器（IR）新推出的针对变频家电无传感器控制应用的高性能低成本电机控制IC。它采用最先进的基于磁场定位的矢量控制技术，利用单电阻电流采样即可实现电机的三相电流重构,从而实现了FOC电流环和速度环双闭环矢量控制, 驱动方式为180度正弦波。.IRMCF341 内含2 个高性能的处理引擎，一个是8 位高速8051 核，另一个是 用于电机无传感器控制的16 位电机控制引擎（MCE ）。8051 核的执行速度为每两个系统时钟一个指令(如： 60MIPS @ 120MHz 系统时钟)。8051 核和MCE 处理器:之间可以通过双端口RAM 交换数据从而实现数据监视和指令输入的功能。MCE  包含了基于硬件电路控制电机所需的所有控制资源，如PI 调节器、矢量旋转、角度估计器、乘法/除法器、低损耗SVPWM 以及单电阻电流采样/重构等等。复杂的无传感器控制算法中的关键要素（如：角度估计器）全部是已经定义好的控制模块，用户可以通过使用与 MATLAB/SIMULINK 环境无缝连接的图形化编译器来设计自己的电机控制算法（在MATLAB/SIMULINK 环境下通过连接各单元功能模块并编译即可）。8051 代码的仿真和调试可以通过基于JTAG 口的第三方调试工具来完成。IRMCF341 内51 程序存储器为48K 的RAM，封装形式为小型QFP64 无铅封装。

IRMCF341  [page]

IRMCF341 是针对开发阶段的版本，其48K 的程序存储器为RAM，可以很方便地从外部EEPROM 载入8051 和MCE 控制代码。批量生产时可以使用引脚完全相同的OTP 版本或掩模版本IRMCK341。其典型应用如下：

3.2 IRMCF341的结构功能

IRMCF341 的内部结构框图如下图2所示：

FOC算法功能的系统框图：
 

所谓FOC控制算法是指:将电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换（CLARK变换），等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换（PARK变换），等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量。然后利用反PARK变换，反CLARK变换把直流控制量转变为所需的三相交流量，进而控制电机。由于341采用无传器的控制方法,所以一开始341的启动并不能以闭环方式启动,其启动方式如下: 首先,通过给电机施加特定矢量，迫使转子移动到指定位置(PARK定位)。以PARK结束时的电角度为起始点开环运行,,到达门限速度后切入闭环模式,若磁通检验成功,实现真正闭环控制,执行FOC控制算法。

4 IRMCF341的开发环境

硬件平台：
 

IRMCS3041设计平台

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软件设计平台：

利用自带的EXCEL表计算配置参数，配合MCE Designer调试电机，

可得用MATLAB进行MCE结构设计和利用KEIL uVision2进行8051的代码调试。

5 IPM简介

IPM（Intelligent Power Module）,即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到 CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用 IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。      

IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成电源模块（IPM）是IR公司iMOTION集成设计平台系列的产品之一，它除了将6个高压功率晶体管和驱动芯片 IR2136等电路集成在一个小型绝缘封装外，还具有过热、过流、欠压和内置死区控制防止高端IGBT（绝缘栅双极晶体管）和底端IGBT短路等保护功能，以确保操作安全以及系统可靠。此外，它还能够由一个+15V直流电源来提供工作电压，可以简化其在电机驱动应用中的使用，并由此加速最终产品的开发。
  

与分立元件相比，模块除了具有众所周知的优点（更小、更可靠、可视为单一元件）外，IRAMS16UP60A模块还使设计者避免了在IGBT逆变器设计中常遇到的几个问题：

（1）模块具有很低的电路电感，可以减小电压尖峰，在较低的开关损耗下可以工作于较高
的开关频率；

（2）所有低端和高端IGBT的传输延迟匹配，可以防止直流电流加到电机上；

（3）内置死去时间控制提供充足死区时间防止高端IGBT和低端IGBT短路；

（4）故障安全工作确保过流过压时停机，使设计者不用设计过流和过压保护电路；

（5）提供了温度监视和相电流检测引脚。

5 IRMCF341在变频家电上应用

5.1 应用分析

IRMCF341在变频家电上应用，主要瞄准高功能和省电。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。

341主要应用于永磁同步电机, 交流永磁同步电动机是一种可在50Hz三相交流电环境中直接启动起来的电动机，其运行方式为：异步启动、同步运行。交流永磁同步电动机是用稀土永磁材料取代传统电励磁而制成的高效节能电机，它不仅具有一般永磁电机结构简单、运行可靠、发热小等优点，还具有体积小、重量轻、损耗小、效率高等显著特点，可以实现传统电励磁电机所难以达到的高性能。加上341基于FOC(磁场定向)的矢量变频控制,驱动方式为180度正弦波,更使这方面的性能得到充分的发挥同时,341采用电单电阻电流采样重构技术,节省了成本, 单电阻电流采样重构技术是指 341利用当前PWM对应的电流状态,

采用合适的延迟时间（避开电流振荡）即可采到真实的母线电流, 将采到的诸多时刻的电流按PWM的时序进行重组即可得到电机三相电流.如图所示:

面对永磁同步电机,单电阻电流采样这两方面的特性非常符合变频家电的特性,使得341在变频家电上得到了广泛的应用,首先是空调方面，采用了 IRMCF341的变调控制以后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感，其节能效果大幅度提高.。

其次，在洗衣机方面，过去使用变频实现可变速控制，提高洗净性能，而采用IRMCF341洗衣机除了节能和静音化外，还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容；目前,贝能公司推出的基于341变频洗衣机方案, (1)矢量控制:转矩、速度双闭环控制;最优的转矩特性;更低的能耗;更高的效率;(2)外围电路简单:不需要昂贵的电流传感器;单电阻采样不需要复杂的电流检测电路;比同类产品降低 25％左右的外围器件.更是341在变频技术上的典型及优秀的运用。

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在空调和洗衣机运用方面,基于341变频方案也在国内一些知名大企业得到了应用,并相继量产。

5．2 硬件设计

（1）主控制电路 

（2）IPM驱动电路设计
   

IPM（智能功率模块）驱动电路主要完成对341芯片产生的六路PWM信号的功率放大，驱动内部的功率管从而实现对电机的驱动。

5.3 软件设计

（1）主控制流程                              （2）马达控制流程

6 小结

本文简单略述变频家电的市场背景和变频技术。主要介绍了IRMCF341的芯片的特点和功能，开发环境并分析了其在变频家电上的应用，由于 IRMCF341的优秀的控制性能，人性化的开发流程，使得它并不停留于家电上的应用，除了支持PMSM，BLDC等直流电机外，IR新推出的代码已经支持ACIM交流感应异步电机，更大程度的扩展了IRMCF341在变频控制上的应用。目前已有客户利用IRMCF341开发成功变频水泵，变频跑步机等。变频跑步机方案: 在FOC矢量控制模式下，提供足够大的启动转矩，在冲击负载的情况下，速度环和电流闭双闭环矢量控制，反应速度快，同时由于主回路采用了大容量的平滑电容，针对跑步机负载，软件上做了特殊修改，能有效平稳直流母线电压，完全能符合跑步机负载特性的要求,低速上做到了5HZ, 无抖动带载平稳启动. 变频水泵方面其节能效果经测试已超过了国外同类产品的水平。