摘 要 ：本文概要介紹了IR公司最新開(kāi)發(fā)的iMotion變速運(yùn)動(dòng)控制芯片IRMCF312的結(jié)構(gòu)和特性，并結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求，提出了一套完整的以此芯片為主控制芯片的空調(diào)系統(tǒng)從硬件到軟件的設(shè)計(jì)，進(jìn)而體現(xiàn)了iMotion運(yùn)動(dòng)控制芯片的優(yōu)勢(shì)所在。

1 引言

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中,電能作為工業(yè)革命的動(dòng)力,在生產(chǎn)生活中得到廣泛的使用.但隨著人們?nèi)找嬖黾拥挠秒娦枨蠛兔繘r愈下的能源現(xiàn)狀,節(jié)約電能已經(jīng)成為勢(shì)在必行的趨勢(shì).而在中國(guó),有50%以上的電能用于電機(jī)驅(qū)動(dòng).采用高效電機(jī)和電機(jī)調(diào)速的普及使用,可以幫助減少10%以上的能耗.因而空調(diào)的節(jié)能改造也受到越來(lái)越多的關(guān)注,壓縮機(jī)電機(jī)作為空調(diào)消耗能量的主要部分，也往往是節(jié)能改造的主要出發(fā)點(diǎn)，原來(lái)變頻空調(diào)中普遍采用的三相異步電機(jī)，但由于異步電機(jī)本身的效率多為80％～90％，對(duì)節(jié)能本身存在的制約作用，因而新一代空調(diào)的壓縮機(jī)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，永磁電機(jī)的效率多在90％以上，因而與此相關(guān)的永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速的矢量控制也成為空調(diào)中必須要解決的問(wèn)題。
面對(duì)以上的市場(chǎng)需求，國(guó)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(shí)現(xiàn)同時(shí)控制了兩臺(tái)電機(jī)的變頻運(yùn)行，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，添加了功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)（PFC），大大減輕了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和調(diào)試的工作量，并且無(wú)需永磁同步電機(jī)控制中常用的光電碼盤，采用無(wú)位置傳感器控制策略，使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的硬件成本也大大降低。在軟件開(kāi)發(fā)上，由于其中在硬件中固化了一些電機(jī)控制中常用的模塊，如空間矢量PWM、PI調(diào)節(jié)器等，集成了整個(gè)電機(jī)矢量控制所需的轉(zhuǎn)速和電流環(huán)，只需要配置相應(yīng)參數(shù)即可，無(wú)須軟件上編程實(shí)現(xiàn)，大大地減小了程序開(kāi)發(fā)周期和執(zhí)行時(shí)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(jī)作為壓縮機(jī)電機(jī)、三相異步電機(jī)作為風(fēng)扇電機(jī)的新型變頻空調(diào)系統(tǒng)。

2 iMotion芯片IRMCF312特性簡(jiǎn)介

IRMCF312是一種高性能運(yùn)動(dòng)控制集成芯片，是為了適應(yīng)低成本高性能的逆變控制電機(jī)調(diào)速應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。總共包含兩個(gè)引擎模塊:一是適用于無(wú)傳感器的永磁同步電機(jī)控制的MCE（運(yùn)動(dòng)控制引擎），另外一個(gè)是為空調(diào)系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用而配備的8位單片機(jī)處理器。其中MCE中包含一系列控制元件例如比例積分環(huán)節(jié)，矢量旋轉(zhuǎn)、角度估測(cè)、乘法/除法，低損SVPWM等環(huán)節(jié)，它們都是在硬件上實(shí)現(xiàn)的，因而速度很快。用戶可以通過(guò)圖形編譯器用這些模塊對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，無(wú)位置傳感器控制算法中的主要元素例如角度估計(jì)環(huán)節(jié)已經(jīng)作為完全預(yù)定義的模塊提供給用戶。單片機(jī)與MCE通過(guò)雙口RAM連接，整個(gè)電路控制環(huán)所需要的參數(shù)都存儲(chǔ)在雙口RAM中，可以通過(guò)單片機(jī)將參數(shù)寫到相應(yīng)的寄存器。單片機(jī)程序可以通過(guò)JTAG用仿真器將程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)，而MCE的圖形編譯器則集成在MATLAB/Simulink環(huán)境中，可以MCE Designer配置電機(jī)和系統(tǒng)應(yīng)用的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)串口將PC機(jī)上搭建的控制環(huán)下載到雙口RAM中對(duì)應(yīng)的碼段中。
MCE可以在11μs內(nèi)完成磁場(chǎng)定向控制,而高效可編程DSP則需要15～20μs,獲得了比傳統(tǒng)DSP快一倍的運(yùn)算速度。MCE速度快是由于它被設(shè)置為平行硬件控制器/信號(hào)處理器.避免了傳統(tǒng)微控制器或DSP構(gòu)架所遇到的困難,以致能夠達(dá)到模擬控制的頻寬,同時(shí)提供更多的彈性和增強(qiáng)的數(shù)字控制效能。
主控芯片的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)由室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)兩部分組成。

室內(nèi)部分以室內(nèi)專用芯片為中心，由遙控器、信號(hào)接收器、傳感器、顯示器、和風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路構(gòu)成。溫度和濕度數(shù)據(jù)及運(yùn)行模式等設(shè)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(jiǎn)單，主要控制繼電器、溫度傳感器、并完成與室外機(jī)的通訊，可由單片機(jī)完成，本文不作進(jìn)一步展開(kāi)。
室外部分以IR運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)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(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，及閥門控制部件組成。室外機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
此變頻空調(diào)器是由變頻壓縮機(jī)、電子膨脹閥、室內(nèi)外換熱器和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的可變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng).電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三大調(diào)節(jié)功能,即壓縮機(jī)功率調(diào)節(jié)、制冷劑流量調(diào)節(jié)和熱交換能力調(diào)節(jié)。其中,壓縮機(jī)功率由變頻器調(diào)節(jié),制冷劑流量由電子膨脹閥調(diào)節(jié),熱交換能力由風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié).用戶可使用遙控器對(duì)空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行指令操作。室內(nèi)機(jī)接受到指令后,通過(guò)單片機(jī)對(duì)室內(nèi)工況進(jìn)行算法分析,計(jì)算,然后與室外機(jī)進(jìn)行通信,最后由室內(nèi)機(jī)發(fā)出控制指令,對(duì)壓縮機(jī)、電子膨脹閥、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括:功率變換電路、開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)、電流電壓檢測(cè)電路、室外風(fēng)機(jī)四通閥控制電路、溫度傳感器電路、通訊電路的設(shè)計(jì)等。其中電流電壓檢測(cè)電路、溫度傳感器電路的信號(hào)最終進(jìn)入IRMCF312的AD接口，室外風(fēng)機(jī)四通閥控制電路主要通過(guò)I/O端口控制繼電器加以實(shí)現(xiàn)、通訊電路則是由串口輸出，采用RS-485通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)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(wú)功消耗,提高功率因數(shù),本電路采用了功率因數(shù)校正（PFC）環(huán)節(jié),即在整流和逆變之間加了一個(gè)Boost電路,本電路為了簡(jiǎn)化硬件電路,采用了帶有功率因數(shù)校正功能的iMotion控制芯片（IRMCF312）,只要外接電感和一個(gè)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(chǎng)上一般的變頻空調(diào)（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(diǎn)是:IGBT功率開(kāi)關(guān)管,檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路均集成在模塊內(nèi)部,且自帶安全可靠的保護(hù)電路,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),能及時(shí)關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管并發(fā)出故障信號(hào),對(duì)芯片進(jìn)行過(guò)熱,過(guò)流雙重保護(hù),以保證電路運(yùn)行的可靠性。但其缺點(diǎn)同樣存在:模塊的價(jià)格相對(duì)于整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)太高,另外因其集成度高,所以三路IGBT只要有一路損壞,整個(gè)模塊就報(bào)廢了,需要重新更換.且本設(shè)計(jì)要采用PFC，并且需要驅(qū)動(dòng)IGBT,采用了IR公司的集成芯片IRS2631,此芯片可同時(shí)實(shí)現(xiàn)Boost電路和逆變電路的IGBT驅(qū)動(dòng),共七只管子,較為方便,因?yàn)槿绻俨捎肐PM模塊,在功能上重復(fù)（因?yàn)镮PM模塊本身就是IGBT橋加上驅(qū)動(dòng)電路）,且試驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)燒管子的現(xiàn)象,為了調(diào)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(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM控制和壓縮機(jī)頻率調(diào)節(jié)的永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制。
5.1 PWM控制
常用的PWM信號(hào)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(diào)的兩個(gè)重要指標(biāo),及噪聲和能效比,結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究的動(dòng)態(tài),采用了空間矢量SVPWM.它能在較大范圍內(nèi)保持調(diào)制波和輸出基波之間的線性關(guān)系,具有電壓利用率高，波形對(duì)稱度高,諧波分量小,算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。逆變器的輸出可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)速,從而使噪聲下降,能效比提高,提高了空調(diào)器的性能,實(shí)現(xiàn)了高度智能化。
5.2 磁場(chǎng)定向矢量控制
永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極是用永久磁鋼制成的,通過(guò)對(duì)磁極極面形狀的設(shè)計(jì)使其在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生呈正弦分布的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子磁極的軸線重合,并隨轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)。因此矢量控制中的同步旋轉(zhuǎn)軸系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸系重合。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)是由定子繞組中通以對(duì)稱的交流電建立的,定子磁場(chǎng)在定、轉(zhuǎn)子氣隙中也呈正弦分布并以同步速度旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)Clark變換和Park變換，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，這樣一來(lái),永磁同步電動(dòng)機(jī)就和直流電動(dòng)機(jī)基本相同了,可以實(shí)現(xiàn)解耦控制,即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(jià)錢較為昂貴, 現(xiàn)在也出現(xiàn)了許多無(wú)位置傳感器的控制方式,利用各種已知電量估測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置和速度.由于本系統(tǒng)采用了iMotion運(yùn)動(dòng)控制芯片，其中有硬件電路及軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持，自動(dòng)進(jìn)行了的位置和速度的估測(cè)，不用通過(guò)用戶手動(dòng)的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而開(kāi)發(fā)會(huì)較為方便。

6 軟件設(shè)計(jì)

以室內(nèi)機(jī)作為下位機(jī),室外機(jī)一方面要時(shí)刻檢測(cè)室外工況,同時(shí)接受來(lái)自室內(nèi)機(jī)的控制信號(hào),并通過(guò)變頻器控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率;另一方面要時(shí)刻監(jiān)控總電流,防止過(guò)流,在總電流達(dá)到設(shè)定限度時(shí)進(jìn)行停機(jī)保護(hù),并把相應(yīng)的故障代碼傳給室內(nèi)機(jī)顯示給用戶。綜上所述，室外機(jī)主要功能有:
（1） 時(shí)刻接收來(lái)自室內(nèi)機(jī)的控制信號(hào),并執(zhí)行相應(yīng)的操作,即控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和四通閥的切換;
（2） 采集溫度電壓和電流等模擬信號(hào),如發(fā)現(xiàn)有故障或過(guò)流,則執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作,將這些信息反饋給室內(nèi)機(jī);
（3） 完成磁場(chǎng)定向矢量控制運(yùn)算。
室外機(jī)主程序流程框圖如圖5所示

7 結(jié)束語(yǔ)

由于采用了專為家用電器而開(kāi)發(fā)的iMotion IRMCF312芯片，使得電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)大大簡(jiǎn)化，且由于其將傳統(tǒng)DSP通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)一部分的功能在硬件上加以實(shí)現(xiàn)，從而提高了程序執(zhí)行的速度，可以預(yù)見(jiàn)，在系統(tǒng)和電機(jī)參數(shù)配置正確的前提下，電機(jī)的控制將像控制繼電器等器件一樣簡(jiǎn)單，只需要設(shè)定運(yùn)行速度即可，從而對(duì)整個(gè)家用電器的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的便利，具有廣泛的推廣價(jià)值。