基于集成化电机控制平台的节能解决方案

Aengus Murray，iMOTION产品管理主管，International Rectifier

　　OEM们正在期待着调速电机驱动技术能够最大限度提高从家用电器到空调器的各种产品的效率。工程师们所面临的挑战在于，变速电机驱动解决方案的实现，并非一个轻而易举的任务，所需完成的开发工作的复杂性和成本都大为增加，这个事实与如下的需求是相矛盾的：仅以略高于传统设计的成本提供产品。不过，现在功率半导体技术领域的发展，连同混合信号集成方面的进步，成为模块化的解决方案的推出背后的推动力量，这些解决方案可以让工程师们缩短复杂的调速电机驱动设计的开发时间和所需的元件数量，并让他们能无牵无挂，把注意力集中在专门针对具体应用、可以提供极强竞争力的产品功能特性方面。
在中国，总耗电量中的约60％都为驱动机电设备的电机所消耗，如水泵、风机和压缩机。而如果采用能量效率高的电极和电子运动控制技术，则电机的能量消耗可以节约10％。
　　这些电力都为工业过程所消耗，但是中国的居民用电也占了相当大的比重。1985年，冰箱的数量为400万台，1996年增长到6000万台，现在则消耗了居民用电总量的一半。ii此外，空调的使用量也在增长，从1995年8台/百户增加到2000年31/百户。iii显然，能量利用率高的电力电子技术的巨大商机就存在于节能型运动控制架构中。

　　对于大多数变速电器应用来说，永磁（PM）电机是首选的技术。PM电机技术损耗更低和单位电流所产生的转矩更高的特点使得设计者能够选用一个尺寸较小、重量更轻和成本更低的电机，而可变速的工作模式可以降低其机械振动，提高可靠性和寿命，同时减少声学噪声。
成本和性能方面的考虑
　　在目前已经为无刷AC电机开发出的成熟调速技术中，梯形电流波形控制技术在高速区存在一定的限制，而且由于电流波形呈矩形，无法产生平滑的力矩输出。另外一种方法，基于正弦电流波形的磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC）技术将可以提供更出色的全性能。这一技术一般是通过在数学上将所期望的电流值从定子域变换为转子域，然后再将所期望的电压值从转子域变换为定子域来实现的。对变化后的结果还可以进行进一步然而，完善一个FOC算法，使之能在微控制器或者DSP上运行，就需要开发者在电机控制和软件代码编写方面具有宽厚的专业素养。在所面对的多方面的挑战中，电机电流采用的时间控制非常关键，而且取决于具体设计的PWM时序关系。虽然现售的算法一般可以提供速度更快和成本更低的解决方案，但执行FOC算法所需的资源往往要占用许多有现货提供的DSP的处理器容量。
　　使用现成的算法也使得电机控制设计在更多方面的问题无法得到解决，包括电力电子的设计、模拟电流的敏感、电源管理、保护和整个解决方案的集成。
集成化的运动控制平台
　　International Rectifier已经开发出一个基于通过寄存器定义的混合模式控制器IC的设计平台（图1），该平台被称为iMOTION*，集成了若干关键的功能，包括通过硬件实现的FOC算法，以支持无传感器电机速度和位置控制。在同一块芯片上集成了一个60MIPS 微控制器，从而在运动控制平台上引入了应用层代码的执行。该代码是通过第三方C和ASM工具开发的，因为MCU是基于广为人知的8051内核构建的。应用也可以在独立于MCE定义的情况下进行修改；MCE于是实际上成为应用的处理器的一个从属。由于片上集成了8051，电机速度的设计和应用层功能的运行，包括顺序控制和与UART、I2C/SPI、定时器/计数器、捕捉和数字I/O外设的通信，都不再需要系统添加一个外部的控制器。
　
                                图1：iMOTION数字化控制IC

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　　最新一代的控制器IC也集成了模拟信号调理和变换功能，成为一个混合模式的控制器IC，进一步减少了实现完整的控制器设计时所需的元件数量。用于直接测量外部电流敏感电阻两端的电压降的五个运放及其相关的增益电路，都在芯片上得到实现，而这些元件通常是以外部元件的形式实现的；片上还集成了一个12bit ADC以实现电机电流的重构。通过这种方式， iMOTION混合模控制器IC将无传感器控制所需要的分立元件的数量缩减为单个敏感电阻和4个设定差分放大器增益的电阻。
　　兼容的模拟接口和功率模块使设计平台变得完整，让设计者能在不必编写软件代码的情况下快速完成全套PM电机控制器的配置，使之实现各种功能，如控制对电流采样电阻进行时间要求严格的采样。电力电子设计、模拟设计和系统集成任务也可以从设计者的任务列表中删去，这有助于快速、高效地实现高品质的电机控制解决方案，该方案可保证单位驱动电流能产生高转矩并保证安静的工作，而且所需外接元件数很少。
数字控制要求
　　数字FOC算法是由混合模式控制器IC内部一个定制化的处理内核执行的，该IR被称为运动控制引擎（Motion Control Engine，MCE）。该MCE所执行的各种行为，包括了在11s内对完整的正弦FOC循环的计算。对于驱动两台电机的、在很宽范围内的转矩和速度控制技术来说，这一速度已经足够了。于是，现在单片控制器IC可以执行应用所需要完成的所有数字处理任务，例如空调器应用就需要对风扇和压缩机进行有效地控制。该设计还有充裕的处理能力，可以在片上执行数字功率因数修正，从而可以进一步取消一批外接的元件。
　　MCE可以通过寄存器来进行定义，以便满足特定的系统参数。然而，由于FOC转矩控制环路在硬件方面已经得到了优化，客户的工程师只需要对更外圈的速度和位置环路进行定制化，以便完成任何具体项目的数字设计任务。这可以通过一件基于PC的配置工具方面地实现。
iMOTION模拟和功率模块
　　与数字控制和电力电子模块兼容的3相模拟驱动器和保护IC，也作为iMotion 平台的一部分提供。这些IC包含3个独立的、内置阴极负载二极管（bootstrap diode）的600V半桥逆变器栅驱动器（inverter gate driver）。这样的集成水平所带来的好处包括参数的匹配性，如高端和低端通道的传输延迟方面的匹配。这些参数在产品的整个寿命期中也可以保持稳定性。设计提供了死区插入（Deadtime insertion）功能和保护功能，包括逆变器的过流脱扣动作和带自动故障清除功能的欠压切断保护（Lockout）。单独的功率和信号地线连接可以在低端IGBT上实现单一的DC线配置，以完成电流敏感。设计中还有交叉导通保护，该功能可以防止意外出现的直通，从而提高逆变器的可靠性。
　　作为iMOTION系列产品的一部分而提供的功率开关元件，则是高效率的耗尽－阻止 Trench IGBT，它们可以构成多种构形，包括各种分立的和集成的模块。与穿通（punch-through，PT）和非穿通（NPT） IGBT相比，这些器件展示了更低的集电极－发射极饱和电压（VCE[OM]）和总开关损耗（ETS）。
开发工具与支持
　　为了简化客户的设计负担，提供了基于iMOTIONTM平台的开发系统。举例来说，IRMCF3xx开发工具包括了多种参考设计，其中包含IRMCF3xx芯片以及一个与之相配套的iMOTION 功率级和附属电路。这使得基本的功能度可以在项目的早期就得到验证，从而让设计团队的注意力能够快速转向应用开发。
　　所提供的控制器IC包含了8051内核，到MCE的接口已经载入了嵌入式软件。该芯片还包括了MCE本身以及集成的模拟信号引擎。8051应用的开发在C环境中完成，利用可以广泛获得的、在PC上运行的开发工具实现，而8051内核可以通过所提供的JTAG端口下载。
MCE可以在无需代码的情况下完成快速配置。用户只需简单地将高层次的参数输入“驱动参数计算器”（Drive Parameter Calculator）即可。在MCEDesigner™工具的控制下，这些数据随后被自动地转换为恰当的数值，并被写入8051主控寄存器接口中。MCEDesigner 作为iMOTION平台的一部分提供。
　　将MCE IP和相关的应用层以及模拟信号调理功能嵌入到一系列控制器IC中，将可以显著地降低针对特定应用的调速电机控制的开发中所隐藏的成本和风险。这些将包括各种调速功能能发挥其作用的设备类型，这些设备的能量效率、成本、尺寸的缩减或者功能的增强等方面都将在不同程度上受益于调速功能的实现。潜在的应用包括家用电器、风扇和泵。每项针对专门应用的控制器都将附带iMOTION系列中的各种兼容的模拟和功率元件，以及包含实现快速和高效应用开发所需的全部硬件的参考设计。
应用实例：一个具有95％效率的空调设计
　　为了理解iMOTION的优点，不妨考虑一个空调器产品的实例。这种产品的优值是性能系数（Coefficient of Performance，COP），它描述的是加热或者制冷功率与输入功率之比。研究表明，把带开－关控制的感应电机驱动的压缩机更换为基于永磁电机的调速压缩机，可以将CoP改善300％。不过，这一更好的性能必须在成本不变或者小幅上升的前提下提供给最终用户。
为了帮助这一切换的实现，IRMCF312使用了MCE架构，以集成无传感器电机速度和位置控制，外加数字式PFC控制，并取消了传统的空调控制系统所需要的独立的风扇控制器和单独的模拟PFC控制功能。图2示出了其内部框图。
　
                                 图2  IRMCF312框图 

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　　图中：Host Interface——主控接口，Monitoring——监测，Emulator Debugger——仿真调试器，Xtal——晶振，Microcontroller——微控制器，Program RAM——程序RAM，8bit CPU Core——8bit CPU内核，Local RAM——本机RAM，Interrupt Control——中断控制，Motion Control Engine——运动控制引擎，Dual Port RAM——双端口RAM，MCE Program RAM——MCE程序RAM，Motion Control Modulus——运动控制模块，Dual Channel Low Loss SVPWM——双通道低损耗SVPWM， Single Shunt Current Sensing——单旁路电流敏感，To #1 Motor——接＃1电机，To＃2 Motor——接＃2电机
　　IGBT gate drive——IGBT栅驱动，＃1 Motor Shunt register——＃1电机旁路寄存器，＃2 Motor Shunt register——＃2电机旁路寄存器，AC line Volt Sensing——交流电压敏感，Other Analog Input——其他模拟输入。Motion Control Sequencer——运动顺序控制器，Op amp——运放

　　与IR2136高压IC相结合后，这一方案可以实现一种成本经济性好、高效率的空调室外机设计。该IC集成了3路独立的600V半桥式逆变器栅驱动器，内带保护功能，如逆变过流脱扣和带自动故障清除功能的欠压切断保护。该模拟栅驱动器在整个产品寿命期内都可以保证参数的稳定性和参数的匹配性，例如高端和低端通道的传输延迟、死区插入。单独的电源和信号地连接可以在低端IGBT上实现单DC线配置，以形成电流敏感。交叉导通保护则防止了偶发性的直通，提供了逆变的可靠性。

　　设计了新的高压IC，以便与IR公司覆盖面广的高效率的耗尽阻止 Trench IGBT，这些设计采用了丰富的结构类型，包括分立的和集成的模块。与穿通（PT）和非穿通（NPT）的IGBT相比，Trench IGBT的集电极－发射极饱和电压VCE(ON)以及总的开关损耗ETS更低。
图3示出了完整的、基于iMOTION™的空调室外机设计。该芯片组取消了10个以上的有源元件，包括一个PFC控制器，从而简化了设计。
　
　　Figure 3:  iMOTION Based Outdoor Unit Design  图3  基于iMOTION™的室外机设计
　　图中：AC Input——交流电输入，Field Service——现场服务，Galvanic Isolation——电隔离，Communication to Indoor Unit——与室内机的通信，IGBT Inverter——IGBT 逆变器，FREDFET Inverter——FREDFET逆变器，Power Supply——电源，User Parameter Storage——用户数据存储，Analog Input——模拟输入，Analog Output——模拟输出，Temperature Feedback——温度反馈，Analog Actuators——模拟执行器，Relay，Valve，Switches——继电器、阀、开关。Compressor Motor——压缩机电机，Fan Motor——风扇电机

　　MCE  数字PFC算法控制了输入PFC电路。IRMCF312控制了两台无位置传感器的电机，其每台电机的DC连接上只需要一个旁路电阻即可。
             　
　        Figure 4: Inverter-plus PFC efficiency
　　图4示出了在AC输入和逆变器输出功率测量值基础上得到的逆变器＋PFC效率数据。PFC工作在连续电流模式下，其数字计算刷新速率为20kHz，PWM载波频率为40kHz。PFC＋逆变器组合的总效率超过了95％。
   　　
　　　Figure 5:  Efficiency Test Result (PFC + Compressor Inverter) 
　              　图5  效率测试结果（PFC＋压缩机逆变器）

　　图中：横坐标轴：电机输入功率（kW），纵轴：功率板卡效率（PFC＋INV），图题：Efficiency Comparison @5200rpm——效率比较@5200rpm。