本文略述了變頻技術(shù),介紹了IRMCF341和IPM的相關(guān)知識,進而分IRMCF341

        在變頻家電上的應(yīng)用,分析和實踐表明基于IRMCF341微控制器的無傳感器的矢量控制技術(shù)變頻家電的解決方案具有高效率,成本低等諸多優(yōu)點,必得到廣泛的應(yīng)用。

       1.   概述
          隨著國際油價的不斷攀升，人們越來越緊迫的認識到能源的重要性。如何高效，環(huán)保的利用能源是各個國家政府，學(xué)術(shù)界，工業(yè)界都非常注重的熱點問題，各種鼓勵節(jié)能減排的措施也層出不窮，節(jié)能儼然已成為現(xiàn)今社會的熱點話題。降低電機的能源消耗又是這場戰(zhàn)役的攻堅戰(zhàn)，據(jù)權(quán)威統(tǒng)計全世界電機每年消耗的能源占全球每年能源消耗的80％以上，而這其中對我們影響最大的莫過于家電中的電機能源消耗，比如電冰箱，空調(diào)，洗衣機等。變頻技術(shù)是降低電機能源消耗的一種有效手段，變頻家電在西方發(fā)達國家早已占據(jù)了主流，日本2000年變頻空調(diào)已占空調(diào)市場的90％以上，變頻冰箱占60％，變頻洗衣機占30～40％，而我們國內(nèi)變頻家電的起步較晚，但最近幾年發(fā)展迅猛，國內(nèi)各大家電巨頭陸續(xù)推出了各種變頻家電產(chǎn)品，國務(wù)院發(fā)展研究中心市場經(jīng)濟研究所預(yù)測：到2010年變頻空調(diào)將占據(jù)空調(diào)市場85％以上，有63％的消費者會選擇變頻空調(diào)。
            變頻家電的變頻控制有多種實現(xiàn)方法，各有利弊，但哪種方法成本更低，效率更高，效果更好則是我們關(guān)心的問題。本文由淺至深介紹一種基于IRMCF341微控制器的無傳感器的矢量控制技術(shù)變頻家電的解決方案

        2.   變頻技術(shù)簡介
              通俗的講變頻技術(shù)是通過改變電機運行的交流電頻率實現(xiàn)速度控制的技術(shù)。以空調(diào)壓縮機為例目前主流的變頻空調(diào)采用的電機都是直流電機，按其驅(qū)動波形分為方波電機和正弦波電機，針對這兩種電機常用的有2種技術(shù)即120度控制技術(shù)和180度控制技術(shù)，即人們常說的方波驅(qū)動技術(shù)和正弦波驅(qū)動技術(shù)，下面就這兩種技術(shù)作個簡要的對比。

        （1）120度控制技術(shù)：
                120度控制技術(shù)是指任意時刻電機3相線只有2相導(dǎo)通，1相截止，表現(xiàn)在驅(qū)動波形上即在180度電周期內(nèi)任1相線只連續(xù)通電 120度，60度截止。這種技術(shù)驅(qū)動波形為方波，采用常見6拍換向方法進行換向控制。具有算法簡單,相對容易實現(xiàn)的優(yōu)點,但同時也存在著一些缺點: 在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)差率,導(dǎo)致大電流,即能耗比,效率低；轉(zhuǎn)矩特性差,負載加大時會丟轉(zhuǎn)速；低速轉(zhuǎn)矩特性差,容易發(fā)生抖動。120度控制技術(shù)在早期的變頻家電產(chǎn)品上有部分采用，但因其效率低，轉(zhuǎn)矩特性差等問題先已逐步被180度控制技術(shù)取代。目前市場上最先進的180度控制技術(shù)是基于磁場定向矢量的變頻技術(shù)

        （2）基于FOC(磁場定向)的矢量變頻控制系統(tǒng)：
              其控制原理是通過一定的坐標轉(zhuǎn)換可以對磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，實現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。具有可以在不產(chǎn)生大流的情況下實現(xiàn)快速的動態(tài)響應(yīng)，即能耗比，效率高；轉(zhuǎn)矩性能好，可以在不丟轉(zhuǎn)速的情況下保證足夠硬的轉(zhuǎn)矩特性的點。但其電機控制算法相對復(fù)雜，實時要求性高，對軟件人員要求高，主要應(yīng)用于負載變化快，動態(tài)響應(yīng)要求高的場合，如變頻空調(diào)，洗衣機，機床控制系統(tǒng)等。

        3. IRMCF341芯片簡介
                3.1 綜述
              IRMCF341 是美國國際整流器（IR）新推出的針對變頻家電無傳感器控制應(yīng)用的高性能低成本電機控制IC。它采用最先進的基于磁場定位的矢量控制技術(shù)，利用單電阻電流采樣即可實現(xiàn)電機的三相電流重構(gòu),從而實現(xiàn)了FOC電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)矢量控制, 驅(qū)動方式為180度正弦波。.IRMCF341 內(nèi)含2 個高性能的處理引擎，一個是8 位高速8051 核，另一個是 用于電機無傳感器控制的16 位電機控制引擎（MCE ）。8051 核的執(zhí)行速度為每兩個系統(tǒng)時鐘一個指令(如： 60MIPS @ 120MHz 系統(tǒng)時鐘)。8051 核和MCE 處理器:之間可以通過雙端口RAM 交換數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)視和指令輸入的功能。MCE  包含了基于硬件電路控制電機所需的所有控制資源，如PI 調(diào)節(jié)器、矢量旋轉(zhuǎn)、角度估計器、乘法/除法器、低損耗SVPWM 以及單電阻電流采樣/重構(gòu)等等。復(fù)雜的無傳感器控制算法中的關(guān)鍵要素（如：角度估計器）全部是已經(jīng)定義好的控制模塊，用戶可以通過使用與 MATLAB/SIMULINK 環(huán)境無縫連接的圖形化編譯器來設(shè)計自己的電機控制算法（在MATLAB/SIMULINK 環(huán)境下通過連接各單元功能模塊并編譯即可）。8051 代碼的仿真和調(diào)試可以通過基于JTAG 口的第三方調(diào)試工具來完成。IRMCF341 內(nèi)51 程序存儲器為48K 的RAM，封裝形式為小型QFP64 無鉛封裝。

IRMCF341 

         IRMCF341 是針對開發(fā)階段的版本，其48K 的程序存儲器為RAM，可以很方便地從外部EEPROM 載入8051 和MCE 控制代碼。批量生產(chǎn)時可以使用引腳完全相同的OTP 版本或掩模版本IRMCK341。其典型應(yīng)用如下：

      3.2 IRMCF341的結(jié)構(gòu)功能
         

        IRMCF341 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示：

       FOC算法功能的系統(tǒng)框圖：
 

         所謂FOC控制算法是指:將電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換（CLARK變換），等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換（PARK變換），等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量。然后利用反PARK變換，反CLARK變換把直流控制量轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧娜嘟涣髁浚M而控制電機。由于341采用無傳器的控制方法,所以一開始341的啟動并不能以閉環(huán)方式啟動,其啟動方式如下: 首先,通過給電機施加特定矢量，迫使轉(zhuǎn)子移動到指定位置(PARK定位)。以PARK結(jié)束時的電角度為起始點開環(huán)運行,,到達門限速度后切入閉環(huán)模式,若磁通檢驗成功,實現(xiàn)真正閉環(huán)控制,執(zhí)行FOC控制算法。

       4 IRMCF341的開發(fā)環(huán)境
      

       硬件平臺：
 

       IRMCS3041設(shè)計平臺

         軟件設(shè)計平臺：

         利用自帶的EXCEL表計算配置參數(shù)，配合MCE Designer調(diào)試電機，

可得用MATLAB進行MCE結(jié)構(gòu)設(shè)計和利用KEIL uVision2進行8051的代碼調(diào)試。

        5 IPM簡介
       

        IPM（Intelligent Power Module）,即智能功率模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到 CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動電路以及快速保護電路構(gòu)成。即使發(fā)生負載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用 IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅(qū)動電機的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機械，電力牽引，伺服驅(qū)動，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。      

        IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設(shè)計平臺系列的產(chǎn)品之一，它除了將6個高壓功率晶體管和驅(qū)動芯片 IR2136等電路集成在一個小型絕緣封裝外，還具有過熱、過流、欠壓和內(nèi)置死區(qū)控制防止高端IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和底端IGBT短路等保護功能，以確保操作安全以及系統(tǒng)可靠。此外，它還能夠由一個+15V直流電源來提供工作電壓，可以簡化其在電機驅(qū)動應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)品的開發(fā)。
  

        與分立元件相比，模塊除了具有眾所周知的優(yōu)點（更小、更可靠、可視為單一元件）外，IRAMS16UP60A模塊還使設(shè)計者避免了在IGBT逆變器設(shè)計中常遇到的幾個問題：
       

       （1）模塊具有很低的電路電感，可以減小電壓尖峰，在較低的開關(guān)損耗下可以工作于較高
的開關(guān)頻率；
       

       （2）所有低端和高端IGBT的傳輸延遲匹配，可以防止直流電流加到電機上；
       

       （3）內(nèi)置死去時間控制提供充足死區(qū)時間防止高端IGBT和低端IGBT短路；
       

       （4）故障安全工作確保過流過壓時停機，使設(shè)計者不用設(shè)計過流和過壓保護電路；
       

       （5）提供了溫度監(jiān)視和相電流檢測引腳。

       5 IRMCF341在變頻家電上應(yīng)用
       

        5.1 應(yīng)用分析
       

      IRMCF341在變頻家電上應(yīng)用，主要瞄準高功能和省電。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型輕量、大容量、高舒適感、長壽命、安全可靠、靜音、省電等優(yōu)點。
       

        341主要應(yīng)用于永磁同步電機, 交流永磁同步電動機是一種可在50Hz三相交流電環(huán)境中直接啟動起來的電動機，其運行方式為：異步啟動、同步運行。交流永磁同步電動機是用稀土永磁材料取代傳統(tǒng)電勵磁而制成的高效節(jié)能電機，它不僅具有一般永磁電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、發(fā)熱小等優(yōu)點，還具有體積小、重量輕、損耗小、效率高等顯著特點，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)電勵磁電機所難以達到的高性能。加上341基于FOC(磁場定向)的矢量變頻控制,驅(qū)動方式為180度正弦波,更使這方面的性能得到充分的發(fā)揮同時,341采用電單電阻電流采樣重構(gòu)技術(shù),節(jié)省了成本, 單電阻電流采樣重構(gòu)技術(shù)是指 341利用當(dāng)前PWM對應(yīng)的電流狀態(tài),

采用合適的延遲時間（避開電流振蕩）即可采到真實的母線電流, 將采到的諸多時刻的電流按PWM的時序進行重組即可得到電機三相電流.如圖所示:

        面對永磁同步電機,單電阻電流采樣這兩方面的特性非常符合變頻家電的特性,使得341在變頻家電上得到了廣泛的應(yīng)用,首先是空調(diào)方面，采用了 IRMCF341的變調(diào)控制以后，擴大了壓縮機的工作范圍，不需要壓縮機在斷續(xù)狀態(tài)下運行就可實現(xiàn)冷、暖控制，達到降低電力消耗，消除由于溫度變動而引起的不適感，其節(jié)能效果大幅度提高.。
       

       其次，在洗衣機方面，過去使用變頻實現(xiàn)可變速控制，提高洗凈性能，而采用IRMCF341洗衣機除了節(jié)能和靜音化外，還在確保衣物柔和洗滌等方面推出新的控制內(nèi)容；目前,貝能公司推出的基于341變頻洗衣機方案, (1)矢量控制:轉(zhuǎn)矩、速度雙閉環(huán)控制;最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩特性;更低的能耗;更高的效率;(2)外圍電路簡單:不需要昂貴的電流傳感器;單電阻采樣不需要復(fù)雜的電流檢測電路;比同類產(chǎn)品降低 25％左右的外圍器件.更是341在變頻技術(shù)上的典型及優(yōu)秀的運用。
       

      在空調(diào)和洗衣機運用方面,基于341變頻方案也在國內(nèi)一些知名大企業(yè)得到了應(yīng)用,并相繼量產(chǎn)。

      5．2 硬件設(shè)計
       

       （1）主控制電路 

         （2）IPM驅(qū)動電路設(shè)計
   

         IPM（智能功率模塊）驅(qū)動電路主要完成對341芯片產(chǎn)生的六路PWM信號的功率放大，驅(qū)動內(nèi)部的功率管從而實現(xiàn)對電機的驅(qū)動。

       5.3 軟件設(shè)計

       （1）主控制流程                              （2）馬達控制流程

       6 小結(jié)
          本文簡單略述變頻家電的市場背景和變頻技術(shù)。主要介紹了IRMCF341的芯片的特點和功能，開發(fā)環(huán)境并分析了其在變頻家電上的應(yīng)用，由于 IRMCF341的優(yōu)秀的控制性能，人性化的開發(fā)流程，使得它并不停留于家電上的應(yīng)用，除了支持PMSM，BLDC等直流電機外，IR新推出的代碼已經(jīng)支持ACIM交流感應(yīng)異步電機，更大程度的擴展了IRMCF341在變頻控制上的應(yīng)用。目前已有客戶利用IRMCF341開發(fā)成功變頻水泵，變頻跑步機等。變頻跑步機方案: 在FOC矢量控制模式下，提供足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，在沖擊負載的情況下，速度環(huán)和電流閉雙閉環(huán)矢量控制，反應(yīng)速度快，同時由于主回路采用了大容量的平滑電容，針對跑步機負載，軟件上做了特殊修改，能有效平穩(wěn)直流母線電壓，完全能符合跑步機負載特性的要求,低速上做到了5HZ, 無抖動帶載平穩(wěn)啟動. 變頻水泵方面其節(jié)能效果經(jīng)測試已超過了國外同類產(chǎn)品的水平。