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白色家电的电机控制创新设计

2010-06-02 17:20
林契于宸
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白色家电业的发展趋势是用永磁同步电机(PMSM)代替感应电机。在最近几年中,感应电机的价格一直在上升,部分原因是全球钢和铜成本的上升,而PMSM的价格上升得比较缓慢。除了价格优势外,PMSM还具有更低的传导损耗、良好的低速扭矩、简单的速度控制和紧凑尺寸,使得它们极具吸引力。


从电机控制角度看,PMSM没有铁芯,不存在磁滞与饱和问题,因此设计起来更加简单。它们的速度仅仅取决于开关频率。此外,PMSM不要求控制器处理来自霍耳效应传感器的信号以监视相位电流,可以简单地使用嵌入在控制器内部的传感电阻来采样不同相位下的驱动器电流。


在不同国家和区域的白色家电市场中,文化和经济差异对电机控制设计有很大的影响,这将影响每个市场所推崇的空调压缩机类型,进而影响电机控制器的设计。为帮助空调OEM商削减总体材料和装配成本,同时适应不同市场区域中的文化差异,国际整流器(IR)公司于2006年推出了iMotion控制器IC。除了处理卷轴压缩机的稳定扭矩负载外,iMotion控制器IC还能创建比简单正弦曲线的三个相位更复杂的驱动函数,从而轻松解决由旋转压缩机发出的振动和变化负载引起的潜在问题。


同样,这些产品还可以应用于风扇控制。如果空调要高效地调整输出以匹配环境条件并维持稳定的温度,风扇需要像压缩机一样具备可变速度控制功能。研究表明,允许风扇和压缩机以可变速度运行可以使系统的效率有可能再提高40%。另外,控制器必须提供功率因子校正(PFC),以
满足不同国家的制度要求。

 

 

图:与TI和Microchip利用DSP和微控制器实现马达控制不同,IR选择了状态机方法,保留了简单的8051用于用户界面和管理。
图:与TI和Microchip利用DSP和微控制器实现马达控制不同,IR选择了状态机方法,保留了简单的8051用于用户界面和管理。
 

iMotion“集成设计平台”由数字控制IC和驱动器IC组成,后者集成了功率开关所需的IGBT和FET。控制IC是一种多内核设计,其中一面围绕8051微控制器搭建,主要处理用户接口。另一面围绕获得专利的运动控制引擎(MCE)搭建,以硬件方式实现了复杂、无传感器的PMSM-控制算法。

 

内核间通过RAM寄存器块进行通信,这些寄存器块为MCE提供设置点,并向MCU提供诊断反馈信息。虽然MCU仍以传统方式编程,但MCE算法是通过使用模拟函数库的图形化拖放方法实现的。

 

除了MCE外,芯片还集成了一个被称为嵌入式模拟信号引擎(ASE)的混合信号模块。这个模块将信号调节和使用这些内置分流电路的无传感器电机控制完美地组合在一起。用硬件实现MCE可以提供比DSP更快的环路响应,这种响应速度足以实现对风扇和压缩机电机的同时控制。

 

IR公司一直在不断更新iMotion产品线。公司最近推出了用于电器电机控制的IRMCK171控制器和IRAM336集成电源模块(见图)。IRMCK171是一种芯片上的电机控制器。其MCE侧由控制单元、运动外设、运动控制顺序器和一个映射内部信号节点的双端口RAM组成。IRMCK171包含一个与众不同的单路分流重构电路和一个双腿分流检测电路,支持直接分流电阻连接IC。

 

运动控制可以通过iMotion的图形编译器进行编程,这种编译器已被集成在Matlab/Simulink开发环境中。在控制侧,排序、用户接口、主机通信和上层控制任务在8051上实现。IRMCK171提供32kB的一次性可编程(OTP)程序ROM。IRMCF171开发芯片包含64kB的闪存。这些芯片全部采用48引脚的四方扁平封装(QFP)。

 

用于电器电机控制的IRAM336-025SB集成电源模块是一种多芯片混合器件,由高电压MOSFET和一个采用了热增强型封装的三相驱动器组成。用于高端驱动器的自举电源可以使用内部自举二极管生成,无需使用隔离式电源。该模块可以处理功率高达250W、交流电压范围从85V到253V的电机。参考设计同时采用了IRMCK171和IRAM336这两种器件。

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