用于節(jié)能電機控制的iMOTIONTM 綜合設(shè)計平臺

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

節(jié)能可變速率

　　這種設(shè)備的主體由估計會浪費多達供應(yīng)電能60%的感應(yīng)電機控制，因為它們使用廉價的機電驅(qū)動器，驅(qū)動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。 來自國際能源展望的數(shù)據(jù)說明，有望在世界經(jīng)濟范圍內(nèi)節(jié)約3500億英磅。

　　變速驅(qū)動器的額外益處還包括更低的聲覺和電子噪音，以及更低的震動程度。 在有些情況下，與開/關(guān)式驅(qū)動相比，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(shè)計者可應(yīng)用新的特性或功能以進一步使其市場上的產(chǎn)品多樣化。

　　因此，出于環(huán)保和促銷的原因，設(shè)計者會極為敏銳地在下一代家電中應(yīng)用變速電機驅(qū)動。 然而，變速電機需要比傳統(tǒng)的開/關(guān)式總電機更為精密的驅(qū)動和控制電路，增加了設(shè)計程序的復(fù)雜程度。 這種復(fù)雜性使大多數(shù)OEM無法在內(nèi)部開發(fā)。 不過，由于有面市時間和成本的限制，就意味著購買預(yù)封裝的成品電機驅(qū)動系統(tǒng)集成器一般是不可行的。 因此，出現(xiàn)了對于變速電機驅(qū)動設(shè)計和應(yīng)用的新方法的需求，要求其可降低其成本、時間和相關(guān)的風(fēng)險。

　　要滿足這一需求，International Rectifier公司推出了電機控制應(yīng)用的iMOTION平臺。iMOTION隨IP 和軟件工具一起，為開發(fā)者提供了兼容硬件“構(gòu)件塊”，可快速組合成形，構(gòu)建特定應(yīng)用的變速電機驅(qū)動。

iMOTION控制器

　　圖1展示了iMOTIONTM綜合設(shè)計平臺的各元件構(gòu)建完整的運動控制解決方案基礎(chǔ)的方式。 在設(shè)計的核心部分是一個專用的控制集成電路，結(jié)合了一個叫做運動控制器(MCE)的IP模塊，可執(zhí)行所有硬件中封閉回路控制所需的控制動作，由此便在產(chǎn)品開發(fā)者所承擔(dān)的責(zé)任中免除了軟件開發(fā)這一部分。

　　運動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(nèi)進行。使用一個可對內(nèi)部寄存器進行配置的基于PC的軟件工具，設(shè)計者可以快速優(yōu)化集成電路以適應(yīng)選定電機參數(shù)及其他系統(tǒng)參數(shù)。
這種共集成8051基的8位MCU運行該應(yīng)用程序,可與電機控制運算規(guī)則獨立運行。這樣可使開發(fā)者不必為了開發(fā)應(yīng)用程序而成為電機控制的專家。不過，MCE和8051MCU共享一個雙口RAM，可使控制器設(shè)定點從應(yīng)用程序內(nèi)部中運行時被加以調(diào)整。對于如力矩電流(IQ)之類的控制變量也可方便地進行監(jiān)控。

　　電機控制運算規(guī)則亦可在MCE硬件中快速執(zhí)行，而不會過度消耗電力。實際上，這一步可以約11ms內(nèi)完成，此速度已足夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)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(zé)通過一個外部分流電阻感應(yīng)電機相位，并將電流信息轉(zhuǎn)化為適于在低壓電路中傳輸?shù)臄?shù)字信號。在最新的設(shè)計平臺上，因為有位于直流連接底側(cè)的單電流感應(yīng)器，所以不必使用絕緣電壓。

　　適當(dāng)?shù)腁/D取樣定時可以從通過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(shè)計平臺

　　IMOTION平臺使您可以選擇一種帶有多向集成IGBT開關(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(qū)動器。IR的專利高壓集成電路(HVIC)技術(shù)，使iMOTION IPM和驅(qū)動器可直接連接數(shù)字控制集成電路和額定電壓為600伏的IGBT。包括關(guān)機、過載保護和溫度感應(yīng)之類的IGBT保護功能也已提供。

運動控制器內(nèi)部構(gòu)造

　　MCE使用無感應(yīng)磁場定向控制(FOC)以控制PMSM的速度和力矩。FOC使用旋轉(zhuǎn)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)。這樣便簡化了控制器設(shè)計，因為電流回路調(diào)諧已與電機速度互相獨立開來。

　　圖2說明了FOC在IR的MCE硬件中執(zhí)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RAMP功能，可限規(guī)定范圍內(nèi)的加速，在輸出上也有一個LIMIT功能，可限定電機電流。還包括一個額外控制功能，可在驅(qū)動內(nèi)部永磁體(IPM)電機時實現(xiàn)相位增強以使力矩輸出最大化。流量參考值在低速上設(shè)置為零，以使每安普扭矩最大化，但也可設(shè)為負值，以減弱高速運行的流量。磁場削弱運算規(guī)則可計算優(yōu)化的ID參考電流，從而使可用導(dǎo)向電壓的利用最大化。

　
圖2 MCE內(nèi)部結(jié)構(gòu)

配置MCE

　　通過使用基于PC的MCEDesignerTM圖形編輯工具從可用MCE功能的庫中進行選擇，產(chǎn)品開發(fā)者可快速定制運算規(guī)則以滿足特定性能要求。在選擇時，有一個專用的編碼程序?qū)⑺璧碾姍C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執(zhí)行控制系統(tǒng)。由此便減少了設(shè)計錯誤并可縮短開發(fā)時間。設(shè)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(nèi)存中的控制參數(shù)和系統(tǒng)變量提供MCEDesigner通道。這樣無需修改或編譯軟件，便可修改控制器設(shè)計點和控制回路增益以及其他常數(shù)。

應(yīng)用優(yōu)先的數(shù)字控制

　　MCE可在很大范圍內(nèi)許多不同的應(yīng)用需求中，作為內(nèi)嵌模塊使用。例如，可使開發(fā)者得以更方便地使用iMOTION平臺。IR推出了內(nèi)含MCE的專用控制集成電路，已為洗衣機、空調(diào)和泵的應(yīng)用做出專門優(yōu)化。

　　IRMCF341專為洗衣機應(yīng)用做出了優(yōu)化設(shè)計。除內(nèi)嵌的MCE IP之外，這種設(shè)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iMOTION IGBT柵極驅(qū)動器。還集成了一個單向并聯(lián)電流重組電路，可使并聯(lián)電阻器直接連接至集成電路，無需額外的外部模擬或數(shù)字電路。

　　用于空調(diào)應(yīng)用的IRMFC312使用基于MCE的電路控制運算進行兩個無感應(yīng)永磁同步電機的速度控制以及數(shù)字PFC控制。在芯片內(nèi)提供的兩個PWM輸出適于直接連接到iMOTION IGBT柵極驅(qū)動器，用于一般在壓縮機中使用的內(nèi)部永磁(IPM)電機，并連接到一個表面型(SPM)電機，通常用于驅(qū)動風(fēng)扇。

　　在最近，IR又增加了IRMCF371，這是為泵應(yīng)用而專門優(yōu)化設(shè)計的。所使用的柵極驅(qū)動器為IRAMS06UP60B，一種緊湊型的IPM，可單列直插式(SIP1)封裝的三相變頻 IC 驅(qū)動器。圖3展示了在泵應(yīng)用中情況。這些產(chǎn)品定位于可自動調(diào)節(jié)配置以適應(yīng)系統(tǒng)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，每年可實現(xiàn)20%至50%的潛在節(jié)能效果。

　
圖3   智能水泵設(shè)計

結(jié)論： 效率催化劑

　　不斷增加的國內(nèi)能源價格會刺激節(jié)能型家電的市場需求，如洗衣機、洗碗機等。另一方面，直接立法會影響服務(wù)方式的變化，如空調(diào)部件和電機驅(qū)動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(nèi)容。比如，強制執(zhí)行可持續(xù)住房以使節(jié)能系統(tǒng)利用最大化的壓力，在整個歐洲和北美都十分緊迫。例如在有些地區(qū)，變速泵已經(jīng)成為新建筑中的規(guī)定用泵。

　　市場和立法部門的聯(lián)合影響，會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(shè)計平臺所推出的一樣。