IR專為永磁同步電機洗衣機設(shè)計的高效低成本數(shù)控IC

在不久前宣布面向空調(diào)的高效數(shù)控IC之后，時隔兩個月，國際整流器公司(IR)又推出專門針對洗衣機的高效低成本數(shù)字控制集成電路IRMCF341，用于實現(xiàn)洗衣機直流驅(qū)動永磁同步電機(PMSM)無傳感器控制。據(jù)稱，IRMCF341將使得PMSM的轉(zhuǎn)矩控制特性得到大大改善，從而在洗滌過程中減少用水量，并節(jié)約大約70%的能耗。此外，洗衣機的機械機構(gòu)也將得到大大簡化。這將有助于推動永磁同步電機在洗衣機以及空調(diào)等白色家電上的進一步應(yīng)用。
時至今日，感應(yīng)電機仍然在家用空調(diào)和洗衣機中擔(dān)當(dāng)著機電能量轉(zhuǎn)換的主要角色。然而，隨著銅線價格的不斷上升以及磁性材料成本的日益下降，永磁電機方案正在變得越來越經(jīng)濟。IR公司節(jié)能產(chǎn)品業(yè)務(wù)部數(shù)字控制IC及運動功率模塊設(shè)計中心執(zhí)行總監(jiān)Toshio Takahashi表示：“今后十年，采用PMSM的步伐將會不斷加快，特別是在家用空調(diào)以及洗衣機等低功率應(yīng)用系統(tǒng)中。”

采用IRMCF341的參考設(shè)計方案將于10月推出
使用感應(yīng)電機的洗衣機還存在著需要傳動帶、位置傳感器等機械和電子部件的問題。而PMSM則可直接裝在洗衣機輪轂上(即直接驅(qū)動方案)，從而省去了傳動帶。另外，目前市場上采用直接驅(qū)動方案的洗衣機仍然需要霍爾傳感器來確定電機轉(zhuǎn)子(磁場)的運動位置和運動方式，而IRMCF341的出現(xiàn)將使洗衣機驅(qū)動徹底擺脫對霍爾傳感器的依賴。
當(dāng)然還有成本。Takahashi表示，由于實現(xiàn)了更高的集成度，新方案不僅使得用水量更少，轉(zhuǎn)速更快。“更為重要的是，僅電子元器件采購一項就可減少15%的成本。”
Takahashi指出，洗衣機電機驅(qū)動主要有三個設(shè)計難點。首先是洗衣時的轉(zhuǎn)向改變。“這時的轉(zhuǎn)速不高(最大只有47rpm)，甚至?xí)霈F(xiàn)零速，但對轉(zhuǎn)矩要求很高。”他說。其次，如何實現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)矩控制，理想的轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)該是大小可調(diào)的，但即使是目前的直接驅(qū)動永磁電機方案，轉(zhuǎn)矩也是固定的。最后，則是怎樣在甩干時盡可能實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)速。
利用IRMCF341，上述問題將能夠得到很好的解決。他解釋，由于采用了嵌入式磁場定向控制(FOC)算法，并引入了磁場削弱的控制原理，利用這款正弦無傳感器控制集成電路不僅可以得到較大的轉(zhuǎn)矩，更能對轉(zhuǎn)矩大小進行調(diào)節(jié)。另外，新控制方案還能實現(xiàn)最高可達1,600rpm的甩干轉(zhuǎn)速，而目前市面上現(xiàn)有的洗衣機最大轉(zhuǎn)速僅為1,200rpm。“衣服甩干后你甚至無需晾曬就可以穿在身上。”他說。
具體而言，IRMCF341包括了MCE(運動控制引擎)、ASE(模擬信號引擎)以及MCU三個控制模塊。
MCE是IRMCF341的主要亮點。這是一個可配置的電路模塊。利用IR提供的外部軟件以及包括放大器、濾波器、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等電路在內(nèi)的MCE庫，開發(fā)人員可根據(jù)實際需要和使用目的，在將各種功能模塊隨意組合后，即可完成控制方案的開發(fā)。這使得煩瑣的軟件編程工作無影無蹤，控制方案的開發(fā)難度也隨之得到簡化。Takahashi表示，即使普通的控制工程師也能完成軟件維護的相關(guān)工作。此外，由于MCE處理起來很像帶有一系列輸入和輸出寄存器的硬件外設(shè)，因此極大的簡化了應(yīng)用軟件的調(diào)試過程。而采用了硬件電路來實現(xiàn)原先必須通過軟件才能實現(xiàn)的控制算法，處理速度也有一定的提高。
IRMCF341內(nèi)部集成的ASE集成了實現(xiàn)單電流分流、永磁電機無傳感器控制所需的所有信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路。包括差動放大器、雙采樣和保持電路、對DC鏈接分流的低電壓信號進行采樣的12位A/D轉(zhuǎn)換器。
值得一提的還有處理速度60MPIS的8位8051 MCU模塊。由于MCU和MCE之間互相獨立，從而避免了兩者爭搶中斷或內(nèi)部寄存器情況的發(fā)生。
針對目前市面上特別是日本市場上的洗衣機直接驅(qū)動方案都采用的是32位RISC電路這一現(xiàn)象，Takahashi表示，盡管IRMCF341采用的是8位MCU，但卻是目前唯一一個不需要傳感器的同類控制IC。而且上述方案一般至少需要256kB的內(nèi)存。“如果制造這樣一臺洗衣機，電子元器件的采購成本中有70%將是用于內(nèi)存采購。”他說，“之所以在IRMCF341采用8位MCU，是因為電機的控制算法是通過硬件(MCE)來實現(xiàn)的，系統(tǒng)所需的內(nèi)存相對較低。”
另外，采用32位RISC電路，至少需要2年的軟、硬件設(shè)計過程。“利用IRMCF341，工程師可以將這個過程縮短到1天時間。”Takahashi表示。
豐富的應(yīng)用開發(fā)工具是確保上述許諾實現(xiàn)的依據(jù)。除了參考設(shè)計工具箱，IR還提供了基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計平臺。此外，利用MCU設(shè)計器，開發(fā)人員還能夠了解MCE內(nèi)部運動參數(shù)和具體情況。而8051編譯器和JTAG仿真器都可以從第三方獲得。
Takahashi承認，盡管新的IC簡化了水平軸和垂直軸洗衣機的變速電機控制設(shè)計，并降低了系統(tǒng)成本，但由于廠商市場策略的問題，目前采用這種方案的洗衣機銷售價格卻仍然比較昂貴，市場接受度還有待培養(yǎng)和提高。不過他表示，已經(jīng)同主要的洗衣機制造廠家進行了合作，最早明年將有采用IRMCF341的洗衣機上市。而大規(guī)模的市場普及，則需要等到5年之后。
IR還將在今年10月份推出一款型號為IRMCS3041的無傳感器PMSM控制參考設(shè)計方案。據(jù)悉，該方案將可支持內(nèi)嵌式和表面磁鋼式兩種永磁電機的無傳感器控制，利用單分路器電流反饋重構(gòu)，并帶有IRAMS10UP60B智能功率模塊，可實現(xiàn)230V/400W輸出功率。