IMotion变速运动控制在空调中的应用

摘 要 ：本文概要介绍了IR公司最新开发的iMotion变速运动控制芯片IRMCF312的结构和特性，并结合空调系统的具体应用需求，提出了一套完整的以此芯片为主控制芯片的空调系统从硬件到软件的设计，进而体现了iMotion运动控制芯片的优势所在。

1 引言

在过去的一个世纪中,电能作为工业革命的动力,在生产生活中得到广泛的使用.但随着人们日益增加的用电需求和每况愈下的能源现状,节约电能已经成为势在必行的趋势.而在中国,有50%以上的电能用于电机驱动.采用高效电机和电机调速的普及使用,可以帮助减少10%以上的能耗.因而空调的节能改造也受到越来越多的关注,压缩机电机作为空调消耗能量的主要部分，也往往是节能改造的主要出发点，原来变频空调中普遍采用的三相异步电机，但由于异步电机本身的效率多为80％～90％，对节能本身存在的制约作用，因而新一代空调的压缩机电机为永磁同步电机，永磁电机的效率多在90％以上，因而与此相关的永磁同步电机变频调速的矢量控制也成为空调中必须要解决的问题。
面对以上的市场需求，国际整流器公司（IR）最新推出了iMotion集成芯片IRMCF312，此款芯片可以实现同时控制了两台电机的变频运行，同时为了提高系统的功率因数，添加了功率因数校正环节（PFC），大大减轻了硬件设计的复杂程度，简化了设计和调试的工作量，并且无需永磁同步电机控制中常用的光电码盘，采用无位置传感器控制策略，使得产品开发的硬件成本也大大降低。在软件开发上，由于其中在硬件中固化了一些电机控制中常用的模块，如空间矢量PWM、PI调节器等，集成了整个电机矢量控制所需的转速和电流环，只需要配置相应参数即可，无须软件上编程实现，大大地减小了程序开发周期和执行时间，本文正是介绍以此芯片为主要控制芯片,采用永磁同步电机作为压缩机电机、三相异步电机作为风扇电机的新型变频空调系统。

2 iMotion芯片IRMCF312特性简介

IRMCF312是一种高性能运动控制集成芯片，是为了适应低成本高性能的逆变控制电机调速应用而开发的。总共包含两个引擎模块:一是适用于无传感器的永磁同步电机控制的MCE（运动控制引擎），另外一个是为空调系统级应用而配备的8位单片机处理器。其中MCE中包含一系列控制元件例如比例积分环节，矢量旋转、角度估测、乘法/除法，低损SVPWM等环节，它们都是在硬件上实现的，因而速度很快。用户可以通过图形编译器用这些模块对闭环控制系统进行编程，无位置传感器控制算法中的主要元素例如角度估计环节已经作为完全预定义的模块提供给用户。单片机与MCE通过双口RAM连接，整个电路控制环所需要的参数都存储在双口RAM中，可以通过单片机将参数写到相应的寄存器。单片机程序可以通过JTAG用仿真器将程序写进单片机，而MCE的图形编译器则集成在MATLAB/Simulink环境中，可以MCE Designer配置电机和系统应用的各项参数，通过串口将PC机上搭建的控制环下载到双口RAM中对应的码段中。
MCE可以在11μs内完成磁场定向控制,而高效可编程DSP则需要15～20μs,获得了比传统DSP快一倍的运算速度。MCE速度快是由于它被设置为平行硬件控制器/信号处理器.避免了传统微控制器或DSP构架所遇到的困难,以致能够达到模拟控制的频宽,同时提供更多的弹性和增强的数字控制效能。
主控芯片的内部组成结构图如图1所示。

3 总体设计方案

整个空调系统由室内机和室外机两部分组成。

室内部分以室内专用芯片为中心，由遥控器、信号接收器、传感器、显示器、和风扇电动机驱动回路构成。温度和湿度数据及运行模式等设定条件以异步串行通信的形式送往室外。其基本功能较为简单，主要控制继电器、温度传感器、并完成与室外机的通讯，可由单片机完成，本文不作进一步展开。
室外部分以IR运动控制系统专用芯片IRMCF312为中心，由电源板、整流电路、逆变单元、电流传感器、室外风扇电动机，及阀门控制部件组成。室外机电气控制系统结构图如图2所示。
此变频空调器是由变频压缩机、电子膨胀阀、室内外换热器和风机系统构成的可变容量制冷系统.电气控制系统主要实现三大调节功能,即压缩机功率调节、制冷剂流量调节和热交换能力调节。其中,压缩机功率由变频器调节,制冷剂流量由电子膨胀阀调节,热交换能力由风机调节.用户可使用遥控器对空调运行状态进行指令操作。室内机接受到指令后,通过单片机对室内工况进行算法分析,计算,然后与室外机进行通信,最后由室内机发出控制指令,对压缩机、电子膨胀阀、风机等执行机构进行控制调节。

4 硬件电路设计

硬件电路的设计主要包括:功率变换电路、开关电源的设计、电流电压检测电路、室外风机四通阀控制电路、温度传感器电路、通讯电路的设计等。其中电流电压检测电路、温度传感器电路的信号最终进入IRMCF312的AD接口，室外风机四通阀控制电路主要通过I/O端口控制继电器加以实现、通讯电路则是由串口输出，采用RS-485通讯方式来实现的。
功率变换电路主要指整流电路和逆变电路,另外为了减少无功消耗,提高功率因数,本电路采用了功率因数校正（PFC）环节,即在整流和逆变之间加了一个Boost电路,本电路为了简化硬件电路,采用了带有功率因数校正功能的iMotion控制芯片（IRMCF312）,只要外接电感和一个IGBT,即可完成PFC的硬件电路,至于逆变单元,主要有两种选择方案:一是采用分立元件,二是采用智能功率模块IPM.市场上一般的变频空调（三菱,三洋,海信,富士通等公司）均采用智能功率模块IPM。其主要特点是:IGBT功率开关管,检测电路和驱动电路均集成在模块内部,且自带安全可靠的保护电路,当故障发生时,能及时关断功率开关管并发出故障信号,对芯片进行过热,过流双重保护,以保证电路运行的可靠性。但其缺点同样存在:模块的价格相对于整个空调系统太高,另外因其集成度高,所以三路IGBT只要有一路损坏,整个模块就报废了,需要重新更换.且本设计要采用PFC，并且需要驱动IGBT,采用了IR公司的集成芯片IRS2631,此芯片可同时实现Boost电路和逆变电路的IGBT驱动,共七只管子,较为方便,因为如果再采用IPM模块,在功能上重复（因为IPM模块本身就是IGBT桥加上驱动电路）,且试验中可能会出现烧管子的现象,为了调试的方便,本电路采用分立元件搭建逆变电路,成本也较低.整个整流逆变电路如图3所示。

5 控制策略

控制策略主要包括压缩机驱动的PWM控制和压缩机频率调节的永磁同步电机的磁场定向矢量控制。
5.1 PWM控制
常用的PWM信号生成方法主要有等面积法SPWM和空间矢量SVPWM。为了改善变频空调的两个重要指标,及噪声和能效比,结合国内外研究的动态,采用了空间矢量SVPWM.它能在较大范围内保持调制波和输出基波之间的线性关系,具有电压利用率高，波形对称度高,谐波分量小,算法实时性强等优点。逆变器的输出可实现对压缩机转速的无级调速,从而使噪声下降,能效比提高,提高了空调器的性能,实现了高度智能化。
5.2 磁场定向矢量控制
永磁同步电动机的转子磁极是用永久磁钢制成的,通过对磁极极面形状的设计使其在定、转子之间的气隙中产生呈正弦分布的转子磁场。该磁场的轴线与转子磁极的轴线重合,并随转子以同步速度旋转。因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子旋转轴系重合。永磁同步电动机的定子磁场是由定子绕组中通以对称的交流电建立的,定子磁场在定、转子气隙中也呈正弦分布并以同步速度旋转。经过Clark变换和Park变换，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，这样一来,永磁同步电动机就和直流电动机基本相同了,可以实现解耦控制,即转子磁场定向的矢量控制。控制框图如图4所示。

由于位置和速度传感器价钱较为昂贵, 现在也出现了许多无位置传感器的控制方式,利用各种已知电量估测出转子的位置和速度.由于本系统采用了iMotion运动控制芯片，其中有硬件电路及软件开发环境的支持，自动进行了的位置和速度的估测，不用通过用户手动的编程来实现，因而开发会较为方便。

6 软件设计

以室内机作为下位机,室外机一方面要时刻检测室外工况,同时接受来自室内机的控制信号,并通过变频器控制压缩机的运转频率;另一方面要时刻监控总电流,防止过流,在总电流达到设定限度时进行停机保护,并把相应的故障代码传给室内机显示给用户。综上所述，室外机主要功能有:
（1） 时刻接收来自室内机的控制信号,并执行相应的操作,即控制压缩机的转速和四通阀的切换;
（2） 采集温度电压和电流等模拟信号,如发现有故障或过流,则执行相应的保护动作,将这些信息反馈给室内机;
（3） 完成磁场定向矢量控制运算。
室外机主程序流程框图如图5所示

7 结束语

由于采用了专为家用电器而开发的iMotion IRMCF312芯片，使得电机控制算法的实现大大简化，且由于其将传统DSP通过软件实现一部分的功能在硬件上加以实现，从而提高了程序执行的速度，可以预见，在系统和电机参数配置正确的前提下，电机的控制将像控制继电器等器件一样简单，只需要设定运行速度即可，从而对整个家用电器的开发带来了极大的便利，具有广泛的推广价值。