IRMCF341在变频家电上的应用

     本文略述了变频技术,介绍了IRMCF341和IPM的相关知识,进而分析IRMCF341

        在变频家电上的应用,分析和实践表明基于IRMCF341微控制器的无传感器的矢量控制技术变频家电的解决方案具有高效率,成本低等诸多优点,必将得到广泛的应用。

       1.   概述
         

        随着国际油价的不断攀升，人们越来越紧迫的认识到能源的重要性。如何高效，环保的利用能源是各个国家政府，学术界，工业界都非常注重的热点问题，各种鼓励节能减排的措施也层出不穷，节能俨然已成为现今社会的热点话题。降低电机的能源消耗又是这场战役的攻坚战，据权威统计全世界电机每年消耗的能源占全球每年能源消耗的80％以上，而这其中对我们影响最大的莫过于家电中的电机能源消耗，比如电冰箱，空调，洗衣机等。变频技术是降低电机能源消耗的一种有效手段，变频家电在西方发达国家早已占据了主流，日本2000年变频空调已占空调市场的90％以上，变频冰箱占60％，变频洗衣机占30～40％，而我们国内变频家电的起步较晚，但最近几年发展迅猛，国内各大家电巨头陆续推出了各种变频家电产品，国务院发展研究中心市场经济研究所预测：到2010年变频空调将占据空调市场85％以上，有63％的消费者会选择变频空调。
        

        变频家电的变频控制有多种实现方法，各有利弊，但哪种方法成本更低，效率更高，效果更好则是我们关心的问题。本文由浅至深介绍一种基于IRMCF341微控制器的无传感器的矢量控制技术变频家电的解决方案

        2.   变频技术简介
        

        通俗的讲变频技术是通过改变电机运行的交流电频率实现速度控制的技术。以空调压缩机为例目前主流的变频空调采用的电机都是直流电机，按其驱动波形分为方波电机和正弦波电机，针对这两种电机常用的有2种技术即120度控制技术和180度控制技术，即人们常说的方波驱动技术和正弦波驱动技术，下面就这两种技术作个简要的对比。

        （1）120度控制技术：
        

         120度控制技术是指任意时刻电机3相线只有2相导通，1相截止，表现在驱动波形上即在180度电周期内任1相线只连续通电120度，60度截止。这种技术驱动波形为方波，采用常见6拍换向方法进行换向控制。具有算法简单,相对容易实现的优点,但同时也存在着一些缺点: 在转速和转矩发生变化时产生很大的转差率,导致大电流,即能耗比,效率低； 转矩特性差,负载加大时会丢转速；低速转矩特性差,容易发生抖动。120度控制技术在早期的变频家电产品上有部分采用，但因其效率低，转矩特性差等问题先已逐步被180度控制技术取代。目前市场上最先进的180度控制技术是基于磁场定向矢量的变频技术

        （2）基于FOC(磁场定向)的矢量变频控制系统：
        

       其控制原理是通过一定的坐标转换可以对磁通和转矩直接控制，实现电流和转速的双闭环控制。具有 可以在不产生大流的情况下实现快速的动态响应，即能耗比，效率高；转矩性能好，可以在不丢转速的情况下保证足够硬的转矩特性的点。但其电机控制算法相对复杂，实时要求性高，对软件人员要求高，主要应用于负载变化快，动态响应要求高的场合，如变频空调，洗衣机，机床控制系统等。

        3. IRMCF341芯片简介
        

        3.1 综述
        

        IRMCF341 是美国国际整流器（IR）新推出的针对变频家电无传感器控制应用的高性能低成本电机控制IC。它采用最先进的基于磁场定位的矢量控制技术，利用单电阻电流采样即可实现电机的三相电流重构,从而实现了FOC电流环和速度环双闭环矢量控制, 驱动方式为180度正弦波。.IRMCF341 内含2 个高性能的处理引擎，一个是8 位高速8051 核，另一个是 用于电机无传感器控制的16 位电机控制引擎（MCE ）。8051 核的执行速度为每两个系统时钟一个指令(如： 60MIPS @ 120MHz 系统时钟)。8051 核和MCE 处理器:之间可以通过双端口RAM 数据从而实现数据监视和指令输入的功能。MCE  包含了基于硬件电路控制电机所需的所有控制资源，如PI 调节器、矢量旋转、角度估计器、乘法/除法器、低损耗SVPWM 以及单电阻电流采样/重构等等。复杂的无传感器控制算法中的关键要素（如：角度估计器）全部是已经定义好的控制模块，用户可以通过使用与MATLAB/SIMULINK 环境无缝连接的图形化编译器来设计自己的电机控制算法（在MATLAB/SIMULINK 环境下通过连接各单元功能模块并编译即可）。8051 代码的仿真和调试可以通过基于JTAG 口的第三方调试工具来完成。IRMCF341 内51 程序器为48K 的RAM，封装形式为小型QFP64 无铅封装。

IRMCF341  

         IRMCF341 是针对开发阶段的版本，其48K 的程序器为RAM，可以很方便地从外部EEPROM 载入8051 和MCE 控制代码。批量生产时可以使用引脚完全相同的OTP 版本或掩模版本IRMCK341。其典型应用如下：

      3.2 IRMCF341的结构功能
          

        IRMCF341 的内部结构框图如下图2所示：

       FOC算法功能的系统框图：
 

         所谓FOC控制算法是指:将电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换（CLARK变换），等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换（PARK变换），等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量。然后利用反PARK变换，反CLARK变换把直流控制量转变为所需的三相交流量，进而控制电机。由于341采用无传器的控制方法,所以一开始341的启动并不能以闭环方式启动,其启动方式如下: 首先,通过给电机施加特定矢量，迫使转子移动到指定位置(PARK定位)。以PARK结束时的电角度为起始点开环运行,,到达门限速度后切入闭环模式,若磁通检验成功,实现真正闭环控制,执行FOC控制算法。

       4 IRMCF341的开发环境
       

       硬件平台：
       

       IRMCS3041设计平台

 

         软件设计平台：

         利用自带的EXCEL表计算配置参数，配合MCE Designer调试电机，可得用MATLAB进行MCE结构设计和利用KEIL uVision2进行8051的代码调试。

  

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【责编:Luzi】

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