IR专为永磁同步电机洗衣机设计的高效低成本数控IC

在不久前宣布面向空调的高效数控IC之后，时隔两个月，国际整流器公司(IR)又推出专门针对洗衣机的高效低成本数字控制集成电路IRMCF341，用于实现洗衣机直流驱动永磁同步电机(PMSM)无传感器控制。据称，IRMCF341将使得PMSM的转矩控制特性得到大大改善，从而在洗涤过程中减少用水量，并节约大约70%的能耗。此外，洗衣机的机械机构也将得到大大简化。这将有助于推动永磁同步电机在洗衣机以及空调等白色家电上的进一步应用。
时至今日，感应电机仍然在家用空调和洗衣机中担当着机电能量转换的主要角色。然而，随着铜线价格的不断上升以及磁性材料成本的日益下降，永磁电机方案正在变得越来越经济。IR公司节能产品业务部数字控制IC及运动功率模块设计中心执行总监Toshio Takahashi表示：“今后十年，采用PMSM的步伐将会不断加快，特别是在家用空调以及洗衣机等低功率应用系统中。”

采用IRMCF341的参考设计方案将于10月推出
使用感应电机的洗衣机还存在着需要传动带、位置传感器等机械和电子部件的问题。而PMSM则可直接装在洗衣机轮毂上(即直接驱动方案)，从而省去了传动带。另外，目前市场上采用直接驱动方案的洗衣机仍然需要霍尔传感器来确定电机转子(磁场)的运动位置和运动方式，而IRMCF341的出现将使洗衣机驱动彻底摆脱对霍尔传感器的依赖。
当然还有成本。Takahashi表示，由于实现了更高的集成度，新方案不仅使得用水量更少，转速更快。“更为重要的是，仅电子元器件采购一项就可减少15%的成本。”
Takahashi指出，洗衣机电机驱动主要有三个设计难点。首先是洗衣时的转向改变。“这时的转速不高(最大只有47rpm)，甚至会出现零速，但对转矩要求很高。”他说。其次，如何实现良好的转矩控制，理想的转矩控制应该是大小可调的，但即使是目前的直接驱动永磁电机方案，转矩也是固定的。最后，则是怎样在甩干时尽可能实现较高的转速。
利用IRMCF341，上述问题将能够得到很好的解决。他解释，由于采用了嵌入式磁场定向控制(FOC)算法，并引入了磁场削弱的控制原理，利用这款正弦无传感器控制集成电路不仅可以得到较大的转矩，更能对转矩大小进行调节。另外，新控制方案还能实现最高可达1,600rpm的甩干转速，而目前市面上现有的洗衣机最大转速仅为1,200rpm。“衣服甩干后你甚至无需晾晒就可以穿在身上。”他说。
具体而言，IRMCF341包括了MCE(运动控制引擎)、ASE(模拟信号引擎)以及MCU三个控制模块。
MCE是IRMCF341的主要亮点。这是一个可配置的电路模块。利用IR提供的外部软件以及包括放大器、滤波器、坐标转换等电路在内的MCE库，开发人员可根据实际需要和使用目的，在将各种功能模块随意组合后，即可完成控制方案的开发。这使得烦琐的软件编程工作无影无踪，控制方案的开发难度也随之得到简化。Takahashi表示，即使普通的控制工程师也能完成软件维护的相关工作。此外，由于MCE处理起来很像带有一系列输入和输出寄存器的硬件外设，因此极大的简化了应用软件的调试过程。而采用了硬件电路来实现原先必须通过软件才能实现的控制算法，处理速度也有一定的提高。
IRMCF341内部集成的ASE集成了实现单电流分流、永磁电机无传感器控制所需的所有信号调节和转换电路。包括差动放大器、双采样和保持电路、对DC链接分流的低电压信号进行采样的12位A/D转换器。
值得一提的还有处理速度60MPIS的8位8051 MCU模块。由于MCU和MCE之间互相独立，从而避免了两者争抢中断或内部寄存器情况的发生。
针对目前市面上特别是日本市场上的洗衣机直接驱动方案都采用的是32位RISC电路这一现象，Takahashi表示，尽管IRMCF341采用的是8位MCU，但却是目前唯一一个不需要传感器的同类控制IC。而且上述方案一般至少需要256kB的内存。“如果制造这样一台洗衣机，电子元器件的采购成本中有70%将是用于内存采购。”他说，“之所以在IRMCF341采用8位MCU，是因为电机的控制算法是通过硬件(MCE)来实现的，系统所需的内存相对较低。”
另外，采用32位RISC电路，至少需要2年的软、硬件设计过程。“利用IRMCF341，工程师可以将这个过程缩短到1天时间。”Takahashi表示。
丰富的应用开发工具是确保上述许诺实现的依据。除了参考设计工具箱，IR还提供了基于网络的设计平台。此外，利用MCU设计器，开发人员还能够了解MCE内部运动参数和具体情况。而8051编译器和JTAG仿真器都可以从第三方获得。
Takahashi承认，尽管新的IC简化了水平轴和垂直轴洗衣机的变速电机控制设计，并降低了系统成本，但由于厂商市场策略的问题，目前采用这种方案的洗衣机销售价格却仍然比较昂贵，市场接受度还有待培养和提高。不过他表示，已经同主要的洗衣机制造厂家进行了合作，最早明年将有采用IRMCF341的洗衣机上市。而大规模的市场普及，则需要等到5年之后。
IR还将在今年10月份推出一款型号为IRMCS3041的无传感器PMSM控制参考设计方案。据悉，该方案将可支持内嵌式和表面磁钢式两种永磁电机的无传感器控制，利用单分路器电流反馈重构，并带有IRAMS10UP60B智能功率模块，可实现230V/400W输出功率。