IMotion變速運動控制在空調中的應用

摘 要 ：本文概要介紹了IR公司最新開發的iMotion變速運動控制芯片IRMCF312的結構和特性，并結合空調系統的具體應用需求，提出了一套完整的以此芯片為主控制芯片的空調系統從硬件到軟件的設計，進而體現了iMotion運動控制芯片的優勢所在。

1 引言

在過去的一個世紀中,電能作為工業革命的動力,在生產生活中得到廣泛的使用.但隨著人們日益增加的用電需求和每況愈下的能源現狀,節約電能已經成為勢在必行的趨勢.而在中國,有50%以上的電能用于電機驅動.采用高效電機和電機調速的普及使用,可以幫助減少10%以上的能耗.因而空調的節能改造也受到越來越多的關注,壓縮機電機作為空調消耗能量的主要部分，也往往是節能改造的主要出發點，原來變頻空調中普遍采用的三相異步電機，但由于異步電機本身的效率多為80％～90％，對節能本身存在的制約作用，因而新一代空調的壓縮機電機為永磁同步電機，永磁電機的效率多在90％以上，因而與此相關的永磁同步電機變頻調速的矢量控制也成為空調中必須要解決的問題。
面對以上的市場需求，國際整流器公司（IR）最新推出了iMotion集成芯片IRMCF312，此款芯片可以實現同時控制了兩臺電機的變頻運行，同時為了提高系統的功率因數，添加了功率因數校正環節（PFC），大大減輕了硬件設計的復雜程度，簡化了設計和調試的工作量，并且無需永磁同步電機控制中常用的光電碼盤，采用無位置傳感器控制策略，使得產品開發的硬件成本也大大降低。在軟件開發上，由于其中在硬件中固化了一些電機控制中常用的模塊，如空間矢量PWM、PI調節器等，集成了整個電機矢量控制所需的轉速和電流環，只需要配置相應參數即可，無須軟件上編程實現，大大地減小了程序開發周期和執行時間，本文正是介紹以此芯片為主要控制芯片,采用永磁同步電機作為壓縮機電機、三相異步電機作為風扇電機的新型變頻空調系統。

2 iMotion芯片IRMCF312特性簡介

IRMCF312是一種高性能運動控制集成芯片，是為了適應低成本高性能的逆變控制電機調速應用而開發的。總共包含兩個引擎模塊:一是適用于無傳感器的永磁同步電機控制的MCE（運動控制引擎），另外一個是為空調系統級應用而配備的8位單片機處理器。其中MCE中包含一系列控制元件例如比例積分環節，矢量旋轉、角度估測、乘法/除法，低損SVPWM等環節，它們都是在硬件上實現的，因而速度很快。用戶可以通過圖形編譯器用這些模塊對閉環控制系統進行編程，無位置傳感器控制算法中的主要元素例如角度估計環節已經作為完全預定義的模塊提供給用戶。單片機與MCE通過雙口RAM連接，整個電路控制環所需要的參數都存儲在雙口RAM中，可以通過單片機將參數寫到相應的寄存器。單片機程序可以通過JTAG用仿真器將程序寫進單片機，而MCE的圖形編譯器則集成在MATLAB/Simulink環境中，可以MCE Designer配置電機和系統應用的各項參數，通過串口將PC機上搭建的控制環下載到雙口RAM中對應的碼段中。
MCE可以在11μs內完成磁場定向控制,而高效可編程DSP則需要15～20μs,獲得了比傳統DSP快一倍的運算速度。MCE速度快是由于它被設置為平行硬件控制器/信號處理器.避免了傳統微控制器或DSP構架所遇到的困難,以致能夠達到模擬控制的頻寬,同時提供更多的彈性和增強的數字控制效能。
主控芯片的內部組成結構圖如圖1所示。

3 總體設計方案

整個空調系統由室內機和室外機兩部分組成。

室內部分以室內專用芯片為中心，由遙控器、信號接收器、傳感器、顯示器、和風扇電動機驅動回路構成。溫度和濕度數據及運行模式等設定條件以異步串行通信的形式送往室外。其基本功能較為簡單，主要控制繼電器、溫度傳感器、并完成與室外機的通訊，可由單片機完成，本文不作進一步展開。
室外部分以IR運動控制系統專用芯片IRMCF312為中心，由電源板、整流電路、逆變單元、電流傳感器、室外風扇電動機，及閥門控制部件組成。室外機電氣控制系統結構圖如圖2所示。
此變頻空調器是由變頻壓縮機、電子膨脹閥、室內外換熱器和風機系統構成的可變容量制冷系統.電氣控制系統主要實現三大調節功能,即壓縮機功率調節、制冷劑流量調節和熱交換能力調節。其中,壓縮機功率由變頻器調節,制冷劑流量由電子膨脹閥調節,熱交換能力由風機調節.用戶可使用遙控器對空調運行狀態進行指令操作。室內機接受到指令后,通過單片機對室內工況進行算法分析,計算,然后與室外機進行通信,最后由室內機發出控制指令,對壓縮機、電子膨脹閥、風機等執行機構進行控制調節。

4 硬件電路設計

硬件電路的設計主要包括:功率變換電路、開關電源的設計、電流電壓檢測電路、室外風機四通閥控制電路、溫度傳感器電路、通訊電路的設計等。其中電流電壓檢測電路、溫度傳感器電路的信號最終進入IRMCF312的AD接口，室外風機四通閥控制電路主要通過I/O端口控制繼電器加以實現、通訊電路則是由串口輸出，采用RS-485通訊方式來實現的。
功率變換電路主要指整流電路和逆變電路,另外為了減少無功消耗,提高功率因數,本電路采用了功率因數校正（PFC）環節,即在整流和逆變之間加了一個Boost電路,本電路為了簡化硬件電路,采用了帶有功率因數校正功能的iMotion控制芯片（IRMCF312）,只要外接電感和一個IGBT,即可完成PFC的硬件電路,至于逆變單元,主要有兩種選擇方案:一是采用分立元件,二是采用智能功率模塊IPM.市場上一般的變頻空調（三菱,三洋,海信,富士通等公司）均采用智能功率模塊IPM。其主要特點是:IGBT功率開關管,檢測電路和驅動電路均集成在模塊內部,且自帶安全可靠的保護電路,當故障發生時,能及時關斷功率開關管并發出故障信號,對芯片進行過熱,過流雙重保護,以保證電路運行的可靠性。但其缺點同樣存在:模塊的價格相對于整個空調系統太高,另外因其集成度高,所以三路IGBT只要有一路損壞,整個模塊就報廢了,需要重新更換.且本設計要采用PFC，并且需要驅動IGBT,采用了IR公司的集成芯片IRS2631,此芯片可同時實現Boost電路和逆變電路的IGBT驅動,共七只管子,較為方便,因為如果再采用IPM模塊,在功能上重復（因為IPM模塊本身就是IGBT橋加上驅動電路）,且試驗中可能會出現燒管子的現象,為了調試的方便,本電路采用分立元件搭建逆變電路,成本也較低.整個整流逆變電路如圖3所示。

5 控制策略

控制策略主要包括壓縮機驅動的PWM控制和壓縮機頻率調節的永磁同步電機的磁場定向矢量控制。
5.1 PWM控制
常用的PWM信號生成方法主要有等面積法SPWM和空間矢量SVPWM。為了改善變頻空調的兩個重要指標,及噪聲和能效比,結合國內外研究的動態,采用了空間矢量SVPWM.它能在較大范圍內保持調制波和輸出基波之間的線性關系,具有電壓利用率高，波形對稱度高,諧波分量小,算法實時性強等優點。逆變器的輸出可實現對壓縮機轉速的無級調速,從而使噪聲下降,能效比提高,提高了空調器的性能,實現了高度智能化。
5.2 磁場定向矢量控制
永磁同步電動機的轉子磁極是用永久磁鋼制成的,通過對磁極極面形狀的設計使其在定、轉子之間的氣隙中產生呈正弦分布的轉子磁場。該磁場的軸線與轉子磁極的軸線重合,并隨轉子以同步速度旋轉。因此矢量控制中的同步旋轉軸系與轉子旋轉軸系重合。永磁同步電動機的定子磁場是由定子繞組中通以對稱的交流電建立的,定子磁場在定、轉子氣隙中也呈正弦分布并以同步速度旋轉。經過Clark變換和Park變換，將定子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，這樣一來,永磁同步電動機就和直流電動機基本相同了,可以實現解耦控制,即轉子磁場定向的矢量控制。控制框圖如圖4所示。

由于位置和速度傳感器價錢較為昂貴, 現在也出現了許多無位置傳感器的控制方式,利用各種已知電量估測出轉子的位置和速度.由于本系統采用了iMotion運動控制芯片，其中有硬件電路及軟件開發環境的支持，自動進行了的位置和速度的估測，不用通過用戶手動的編程來實現，因而開發會較為方便。

6 軟件設計

以室內機作為下位機,室外機一方面要時刻檢測室外工況,同時接受來自室內機的控制信號,并通過變頻器控制壓縮機的運轉頻率;另一方面要時刻監控總電流,防止過流,在總電流達到設定限度時進行停機保護,并把相應的故障代碼傳給室內機顯示給用戶。綜上所述，室外機主要功能有:
（1） 時刻接收來自室內機的控制信號,并執行相應的操作,即控制壓縮機的轉速和四通閥的切換;
（2） 采集溫度電壓和電流等模擬信號,如發現有故障或過流,則執行相應的保護動作,將這些信息反饋給室內機;
（3） 完成磁場定向矢量控制運算。
室外機主程序流程框圖如圖5所示

7 結束語

由于采用了專為家用電器而開發的iMotion IRMCF312芯片，使得電機控制算法的實現大大簡化，且由于其將傳統DSP通過軟件實現一部分的功能在硬件上加以實現，從而提高了程序執行的速度，可以預見，在系統和電機參數配置正確的前提下，電機的控制將像控制繼電器等器件一樣簡單，只需要設定運行速度即可，從而對整個家用電器的開發帶來了極大的便利，具有廣泛的推廣價值。