IRMCF343伺服控制芯片在变频空调中的应用
发布时间：2009-03-12 作者：夏志慧 高 强 王 卫
随着中国经济的高速发展，能源短缺显得尤为明显，电机驱动每年要用掉中国一半以上的电能。在这部分能源中，作为家用电器的空调每年消耗能源的比例也是相当可观的。因此，在空调中普及节能电机和变频调速可以帮助中国乃至全球节省非常多的能耗。
变频空调是相对于传统定频空调而言的。其压缩机的运转速度不再像定频空调一样固定不变，而是控制器根据设置温度和环境温度的差值来对运转速度进行智能化的修正。同时采用效率更高的永磁同步电机作为压缩机，可以使空调系统更加节能和高效[1-3]。
美国国际整流器公司（International Rectifier）最新推出了一款iMotion运动控制芯片IRMCF343，此芯片可以同时兼顾永磁同步电机的伺服控制和功率因数校正环节PFC的控制。反馈环节采用单电阻无位置传感器的方法，大大减轻了硬件设计的难度。与传统的微处理器或DSP相比，IRMCF343芯片内含一款专门为永磁同步电机设计的IR公司专利运动控制引擎（Motion Control Engine,简称MCE），它提供了一套内部闭环无传感器运算法则，从而实现对永磁同步电机的控制。本文主要介绍基于IRMCF343 芯片的永磁同步电机控制平台在变频空调中的应用。
IRMCF343的原理及特性
IRMCF343是为了适应低成本高性能的逆变控制电机调速而开发的一款低损耗高性能的运动控制芯片。如图1所示，它包括三个部分:一部分是为空调提供用户接口、处理主通讯和上层控制任务等功能而配备的8位高速单片机处理器（Microcontroller,简称MCU），另一部分是执行信号处理和模数转换的模拟信号引擎（Analog Signal Engine，简称ASE），还有一部分是用于无传感器永磁同步电机控制的运动控制引擎（MCE）。
图1 IRMCF343芯片组成部分
运动控制引擎（MCE）是硬件模块的集合，这些模块用于实现无传感器永磁同步电机的控制。它主要包括三个部分，分别是MCE库（MCE Library） 、MCE图形编译器（MCE Compiler）和MCE配置工具 （MCE Designer）。其中，MCE Library提供了这些模块的图形，包括一系列的控制元件，例如乘法/除法、高通滤波和低通滤波、矢量旋转、比较器、比例积分环节、角度估测、低损SVPWM等模块，用户可以选择并连接这些库模块去形成一个控制算法。MCE图形编译器是基于MATLAB/Simulink环境的，用户使用图表编译器软件（graphic compiler）可以在线分析整个设计并将其转换为IRMCF343能识别的机器代码。MCE Designer可以配置电机和系统应用的各项参数，通过串口将程序下传到芯片外部的EEPROM里。见图2。
图2 IRMCF343程序编写示意图
MCU与MCE通过共用的双口RAM连接，可以通过单片机将参数写到相应的寄存器。MCE是由硬件实现的信号处理器，其速度要比传统的DSP快很多，能够避免传统微控制器或DSP所遇到的问题。MCU的程序可以通过JTAG口及仿真器写入IRMCF343芯片。见图3。
图3 IRMCF343芯片的内部结构图
变频空调设计方案
变频空调主要由室内机、室外机两部分组成。图4示出了变频空调的基本结构，下面分别对其作相关介绍。
图4 变频空调的基本结构
室内机以Analog Devices公司的8051单片机AUDC841为控制核心。室内机主要包括风扇电机、摆风电机、遥控器、室内环境温度传感器以及空调管路系统等。室内机作为上位机主要实现检测室内温度、压缩机转速运算、给室外机发送控制指令等功能。它与室外机采用异步串行通讯。此外，室内机还会通过程序实现对压缩机的PID控制和模糊控制。
室外机采用IR公司的芯片IRMCF343作为控制核心。室外机主要包括压缩机、四通阀、室外机风机、温度传感器和室外机管路系统。温度传感器分别为盘管温度传感器、压缩机上盖温度传感器、排气温度传感器、室外环境温度传感器。室外机风机为直流无刷电机，分为高、中、低三档。四通阀用来切换制冷剂的流向，可用继电器控制。
室外机硬件设计
室外机电路主要包括:功率因数校正电路、逆变电路和控制电路等部分。
功率因数校正电路采用无桥Boost拓扑，交流输入不需经过整流桥整流而直接加在输入端，任意时刻电路中只有两个开关器件导通，整机效率明显提高。采用控制芯片IRMCF343自身带有的控制PFC部分的功能，既方便了技术人员的开发，又使整个功率因数校正电路部分的设计大大简化。
逆变电路采用智能功率模块（IRAMX16UP60A）。它主要由驱动加强器、IGBT逆变桥和检测电路构成。由于其自带保护电路，因此可以对芯片进行过热过流双重保护。
图5 变频器
调室外机控制电路
图5所示的控制电路以IRMCF343为核心，分别对功率因数校正电路、逆变电路和室外风机进行控制。
室外机软件设计
由于本系统的电流环控制，速度环控制和过流过压等保护功能都由IRMCF343内部硬件实现，所以室外机软件主要是实现控制空调压缩机转速的功能。结合本控制器的特点，制定变频空调室外机控制流程如图6所示。
图6 外机主程序流程框图
压缩机的控制策略
本系统采用大金公司的永磁同步电动机作为变频空调的压缩机，基于矢量控制方法进行压缩机的控制。如图7所示。
图7 PMSM矢量控制系统框图
永磁同步电机矢量变换控制的实质就是对定子电流空间矢量的相位和幅值进行控制。在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成两个相互垂直，彼此独立的矢量id（产生磁通的励磁电流分量）和iq（产生转矩的转矩电流分量）. 通过控制id和iq来控制电机的转矩。
逆变器采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术。SVPWM是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定圆形旋转磁场。它以三相对称正弦电压供电式交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由它们比较的结果决定逆变器开关状态，形成PWM波形。由于该控制方法把逆变器和电机看作一个整体来处理，所得模型简单，具有直流电压利用率高，谐波小，易于实时控制等特点，是目前广泛使用的调制方法。在IRMCF343芯片内部，通过运动控制引擎MCE带有的SVPWM模块和转子位置估测模块来实现空间矢量控制。
实验得出了基于额定功率2.5kW，额定转速2000r/min永磁同步电机在速度的给定信号为阶跃信号的速度响应曲线如图8所示。
图8 电机速度阶跃响应曲线
结语
本文以国际整流器公司推出的IRMCF343伺服控制芯片为控制核心，设计了具体的变频空调室外机硬件电路和软件流程，并采用永磁同步电机矢量控制方法对压缩机进行控制，通过实验得出了永磁同步电机在额定功率下的速度阶跃响应曲线。由于该芯片的使用使得软件编程和硬件实现都较传统的DSP有较大的改善。