IR370 电动机控制设计平台

传统家电的感应式电动机，运行速度单一、调节效率低，如将其更换成可变速永磁电动机，可以将能源消耗减少到60％左右。在全球范围内，就能够为消费者每年节约大约6300亿美元的开支。
除了能够减少能源消耗，永磁电动机技术所带来的低损耗和高转矩使得设计者能够设计出保持目标温度的更小型和更轻巧的电动机。这不仅能节约空间和减小重量，还能降低成本、简化机械设计。同感应电动机相比，它使用的贵重原材料也相对较少。可变速电动机的应用还带来了更大的运行可靠度和更长的使用寿命，以及噪音的减少。所以，永磁电动机技术是大多数可变速设备的选择。

成本和性能考虑
在使用霍耳效应传感器或者反电动势传感器来实现无刷交流电动机的梯形电流控制技术中，存在低速噪音高和高速范围受限的问题。而FOC(磁场定向控制)带来了更高更全面的使用性能，因为正弦电动机电流能产生更加平稳的转矩并且使得速度范围增大。FOC算法器的典型作用是将电流值以数学的方法从定子域转换成转子域，然后将所需要的电压值从转子域转换回定子域。在转换的结果上，还将作进一步的处理，比如在电流值上的比例积分运算。
然而，完善FOC算法器以实现在微型处理器或者DSP(数字信号处理器)中的执行，需要在电动机控制和软件编码技术上有丰富的经验。在设计中，电动机电流取样的计时是至关重要的，它依赖于设计中PWM(脉冲宽度调制)计时。为了得到一个高质量的解决方案，虽然使用现成的算法器在一般情况下比设计一个特殊的算法器更快速并且总成本更低，但是所要求的用于执行一个FOC算法器的处理资源会给很多DSP的处理能力造成较重负担。
使用一个现成的算法器也不能解决电动机控制设计的其它方面，包括电子电路的设计、模拟测流、电源管理、过电流和过电压保护、以及全部解决方案的综合和集成。

图1 混合模式控制器集成电路

综合行程控制平台
图1为一个可配置寄存器混合模式控制器集成电路。它使用FOC实现无传感器电动机速度和位置控制。FOC作为有标块的行程控制引擎(MCE)的一部分来使用。通过将控制器集成电路进行分配，MCE就可以成为合适的数字IP块，它可以很方便地使用在各种已优化的电动机控制集成电路中。
除此以外，通过在同样的芯片上使用一种微型控制器芯片，如图1所示，一台设备(诸如一台空调装置)的应用层上的编码也可以与数字行程控制功能一样在同样的硅片上执行。还可以将该应用部件在行程控制以外独立地加以修改，使其与行程控制成为一个模块体系结构，作为应用处理器的从属部分。在该设计中，60 MIPS的8051芯片具有在应用层面上充足的处理能力，并且还提供通讯端口，通过该端口可以将电动机的速度传递给电路运行FOC。
在图1所示的ASE(模拟信号引擎)块集成了模拟信号调节和转换功能，形成了一个混合模式控制器集成电路，以便进一步减少设计一个完整的控制器所需要的元件数量。在芯片上安装了5个运算放大器以及相关增益电路作为外部元件来使用，使其能够直接地感应整个外部测流电阻器的电压降。其上还安装了12位ADC，以执行电动机电流的复原。硬件计时器简化了设计人员对测流电阻器的时间控制，即临界取样上的软件操作任务。所以，该混合模式控制器集成电路的使用(包括模拟集成电路)减少了无传感器控制所要求的分立元件的数量。
可兼容的模拟接口以及电源模块使得设计平台更加完整，使快速配置整个永磁电动机控制器成为可能。电子电路设计以及系统集成任务是预先完成的，从而便于工程师快速完成电动机控制设计方案。

图2 IRS2136D

数字控制的要求
通过使用上述混合模式控制器集成电路，国际整流器公司已经开发出了可变速电控设计平台。作为一个特殊功能的硬件处理器，MCE能够在11ms内完成一个FOC回路的计算。如此快速的计算速度使其能够在较大范围内实现对两台电动机转矩和速度的控制。比如，它使得一个单一的控制器集成电路可以执行一台空调设备所要求的所有数字处理，这就需要对风扇和空压机的电动机进行有效的控制。此外，它还有足够的处理能力，能够在芯片上进行数字PFC(功率因数校正)操作，因此，就免去了再安装一套外部元件的必要。
因为FOC转矩控制回路已经在硬件中进行了优化，用户只需要确定外部速度和座席回路的参数即可完成数字设计任务。在基于个人计算机的配置工具的帮助下，通过写入存储器就能够很方便地完成设计任务。所要求的参数能很容易地输入到一个电子表格里，接着由配置程序进行翻译。

图3 IRS2136D的功能框图

模拟驱动器和电源模块
为了给对运行成本敏感的用户带来可变速电动机控制解决方案的好处，还需要有与数字控制和电力电子块兼容的三相模拟驱动和保护集成电路来作为该解决方案的一部分。制造集成驱动器集成电路(例如包括了带内置阴极负载二极管的半桥换向栅驱动器)，也要求对诸如高、低信道的传播延时等参数进行严密的匹配，并在整个使用寿命期间保持稳定。其它基本特性还包括了停滞时间插入和保护功能，如：带自动排除故障功能的倒相器过电流跳闸和欠电压切断。分离式的电源和信号地线的连接方式能够实现在低端IGBT上进行单根直流线配置，用以执行测流任务。内置交叉传导保护也是一个有价值的特性，它可以防止意外的击穿，从而增加倒相器的可靠度。
图2为模拟驱动器集成电路IR2136D的框图。 该器件能够与其开发的耗尽停止型沟槽IGBT完全兼容。这些IGBT有一系列的配置方式，包括了用于处理电动机控制装置的电源开关操作任务的分散式和集成式的模块。这些显示了集电极到发射集的饱和电压以及总开关损损耗比击穿和非击穿IGBT都要低。
控制器集成电路、集成模拟驱动器以及IGBT模块共同构成了一个行程控制元件的组合—iMOTION。以使用方便和快捷为设计理念，该设计平台还纳入了参考设计，它使得工程师能进一步简化开发过程，以便集中精力于应用的开发工作。这将是未来能量效率型电动机控制的主要功能优势。

图4 效率数据对比

一种具有95%工作效率的
空调机的设计
目前，空调设备在能源消耗中仍占有较大比例，因为电动机运行效率低将导致CoP(制冷系数)降低。根据实际使用系统的不同，将压缩机更换成一台永磁电动机型的可变速压缩机，能够将CoP提高甚至超过300%。
为了实现低成本高效率的设计应用，IRMCF312空调机控制器支持MCE结构体系，实现无传感器的电动机速度和位置控制的集成。IRMCF312集成了数字PFC控制，并且不需要传统空调机控制系统的分离式风扇控制器和分离式PFC控制功能。
图3显示了一个完整的基于iMOTION的室外空调机的设计，该设计主要是使用了IRMCF312。 结合IRS2136D高压集成电路作为伴随设施，该方案能设计成本低、效率高的室外空调机。该高压集成电路包括了倒相IGBT栅驱动、过电流保护和欠电压切断功能。此外，还开发了一种新型智能电源模块，它包括了IRS2136D及最新的沟槽栅式IGBT。
图4显示了基于直流输入和倒相输出功率测定基础上的倒相加PFC的效率数据。PFC是以恒向电流的模式运行，具有20KHz数字计算更新速度和40KHz的PWM载波频率。PFC和倒相器的共同效率超过了95%。
该项应用的优点还包括运行更安静(由于使用了正弦电流控制)、使用元器件更少(降低了成本)、减少了维护需要和具有更长的使用寿命。■