隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源短缺顯得尤為明顯,電機(jī)驅(qū)動每年要用掉中國一半以上的電能。在這部分能源中,作為家用電器的空調(diào)每年消耗能源的比例也是相當(dāng)可觀的。因此,在空調(diào)中普及節(jié)能電機(jī)和變頻調(diào)速可以幫助中國乃至全球節(jié)省非常多的能耗。
變頻空調(diào)是相對于傳統(tǒng)定頻空調(diào)而言的。其壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不再像定頻空調(diào)一樣固定不變,而是控制器根據(jù)設(shè)置溫度和環(huán)境溫度的差值來對運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行智能化的修正。同時采用效率更高的永磁同步電機(jī)作為壓縮機(jī),可以使空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能和高效[1-3]。
美國國際整流器公司(International Rectifier)最新推出了一款iMotion運(yùn)動控制芯片IRMCF343,此芯片可以同時兼顧永磁同步電機(jī)的伺服控制和功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)PFC的控制。反饋環(huán)節(jié)采用單電阻無位置傳感器的方法,大大減輕了硬件設(shè)計的難度。與傳統(tǒng)的微處理器或DSP相比,IRMCF343芯片內(nèi)含一款專門為永磁同步電機(jī)設(shè)計的IR公司專利運(yùn)動控制引擎(Motion Control Engine,簡稱MCE),它提供了一套內(nèi)部閉環(huán)無傳感器運(yùn)算法則,從而實現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的控制。本文主要介紹基于IRMCF343
芯片的永磁同步電機(jī)控制平臺在變頻空調(diào)中的應(yīng)用。
IRMCF343的原理及特性
IRMCF343是為了適應(yīng)低成本高性能的逆變控制電機(jī)調(diào)速而開發(fā)的一款低損耗高性能的運(yùn)動控制芯片。如圖1所示,它包括三個部分:一部分是為空調(diào)提供用戶接口、處理主通訊和上層控制任務(wù)等功能而配備的8位高速單片機(jī)處理器(Microcontroller,簡稱MCU),另一部分是執(zhí)行信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬信號引擎(Analog Signal Engine,簡稱ASE),還有一部分是用于無傳感器永磁同步電機(jī)控制的運(yùn)動控制引擎(MCE)。
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圖1 IRMCF343芯片組成部分[/align]
運(yùn)動控制引擎(MCE)是硬件模塊的集合,這些模塊用于實現(xiàn)無傳感器永磁同步電機(jī)的控制。它主要包括三個部分,分別是MCE庫(MCE Library) 、MCE圖形編譯器(MCE Compiler)和MCE配置工具 (MCE Designer)。其中,MCE Library提供了這些模塊的圖形,包括一系列的控制元件,例如乘法/除法、高通濾波和低通濾波、矢量旋轉(zhuǎn)、比較器、比例積分環(huán)節(jié)、角度估測、低損SVPWM等模塊,用戶可以選擇并連接這些庫模塊去形成一個控制算法。MCE圖形編譯器是基于MATLAB/Simulink環(huán)境的,用戶使用圖表編譯器軟件(graphic compiler)可以在線分析整個設(shè)計并將其轉(zhuǎn)換為IRMCF343能識別的機(jī)器代碼。MCE Designer可以配置電機(jī)和系統(tǒng)應(yīng)用的各項參數(shù),通過串口將程序下傳到芯片外部的EEPROM里。見圖2。
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圖2 IRMCF343程序編寫示意圖
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MCU與MCE通過共用的雙口RAM連接,可以通過單片機(jī)將參數(shù)寫到相應(yīng)的寄存器。MCE是由硬件實現(xiàn)的信號處理器,其速度要比傳統(tǒng)的DSP快很多,能夠避免傳統(tǒng)微控制器或DSP所遇到的問題。MCU的程序可以通過JTAG口及仿真器寫入IRMCF343芯片。見圖3。
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圖3 IRMCF343芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[/align]
變頻空調(diào)設(shè)計方案
變頻空調(diào)主要由室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)兩部分組成。圖4示出了變頻空調(diào)的基本結(jié)構(gòu),下面分別對其作相關(guān)介紹。
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圖4 變頻空調(diào)的基本結(jié)構(gòu)[/align]
室內(nèi)機(jī)以Analog Devices公司的8051單片機(jī)AUDC841為控制核心。室內(nèi)機(jī)主要包括風(fēng)扇電機(jī)、擺風(fēng)電機(jī)、遙控器、室內(nèi)環(huán)境溫度傳感器以及空調(diào)管路系統(tǒng)等。室內(nèi)機(jī)作為上位機(jī)主要實現(xiàn)檢測室內(nèi)溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)算、給室外機(jī)發(fā)送控制指令等功能。它與室外機(jī)采用異步串行通訊。此外,室內(nèi)機(jī)還會通過程序?qū)崿F(xiàn)對壓縮機(jī)的PID控制和模糊控制。
室外機(jī)采用IR公司的芯片IRMCF343作為控制核心。室外機(jī)主要包括壓縮機(jī)、四通閥、室外機(jī)風(fēng)機(jī)、溫度傳感器和室外機(jī)管路系統(tǒng)。溫度傳感器分別為盤管溫度傳感器、壓縮機(jī)上蓋溫度傳感器、排氣溫度傳感器、室外環(huán)境溫度傳感器。室外機(jī)風(fēng)機(jī)為直流無刷電機(jī),分為高、中、低三檔。四通閥用來切換制冷劑的流向,可用繼電器控制。
室外機(jī)硬件設(shè)計
室外機(jī)電路主要包括:功率因數(shù)校正電路、逆變電路和控制電路等部分。
功率因數(shù)校正電路采用無橋Boost拓?fù)?,交流輸入不需?jīng)過整流橋整流而直接加在輸入端,任意時刻電路中只有兩個開關(guān)器件導(dǎo)通,整機(jī)效率明顯提高。采用控制芯片IRMCF343自身帶有的控制PFC部分的功能,既方便了技術(shù)人員的開發(fā),又使整個功率因數(shù)校正電路部分的設(shè)計大大簡化。
逆變電路采用智能功率模塊(IRAMX16UP60A)。它主要由驅(qū)動加強(qiáng)器、IGBT逆變橋和檢測電路構(gòu)成。由于其自帶保護(hù)電路,因此可以對芯片進(jìn)行過熱過流雙重保護(hù)。
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圖5 變頻器[/ALIGN]
調(diào)室外機(jī)控制電路
圖5所示的控制電路以IRMCF343為核心,分別對功率因數(shù)校正電路、逆變電路和室外風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。
室外機(jī)軟件設(shè)計
由于本系統(tǒng)的電流環(huán)控制,速度環(huán)控制和過流過壓等保護(hù)功能都由IRMCF343內(nèi)部硬件實現(xiàn),所以室外機(jī)軟件主要是實現(xiàn)控制空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。結(jié)合本控制器的特點,制定變頻空調(diào)室外機(jī)控制流程如圖6所示。
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圖6 外機(jī)主程序流程框圖[/align]
壓縮機(jī)的控制策略
本系統(tǒng)采用大金公司的永磁同步電動機(jī)作為變頻空調(diào)的壓縮機(jī),基于矢量控制方法進(jìn)行壓縮機(jī)的控制。如圖7所示。
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圖7 PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖[/align]
永磁同步電機(jī)矢量變換控制的實質(zhì)就是對定子電流空間矢量的相位和幅值進(jìn)行控制。在磁場定向坐標(biāo)上,將電流矢量分解成兩個相互垂直,彼此獨立的矢量id(產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量)和iq(產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量). 通過控制id和iq來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。
逆變器采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)。SVPWM是從電機(jī)的角度出發(fā),著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定圓形旋轉(zhuǎn)磁場。它以三相對稱正弦電壓供電式交流電機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn),用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,并由它們比較的結(jié)果決定逆變器開關(guān)狀態(tài),形成PWM波形。由于該控制方法把逆變器和電機(jī)看作一個整體來處理,所得模型簡單,具有直流電壓利用率高,諧波小,易于實時控制等特點,是目前廣泛使用的調(diào)制方法。在IRMCF343芯片內(nèi)部,通過運(yùn)動控制引擎MCE帶有的SVPWM模塊和轉(zhuǎn)子位置估測模塊來實現(xiàn)空間矢量控制。
實驗得出了基于額定功率2.5kW,額定轉(zhuǎn)速2000r/min永磁同步電機(jī)在速度的給定信號為階躍信號的速度響應(yīng)曲線如圖8所示。
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圖8 電機(jī)速度階躍響應(yīng)曲線[/align]
結(jié)語
本文以國際整流器公司推出的IRMCF343伺服控制芯片為控制核心,設(shè)計了具體的變頻空調(diào)室外機(jī)硬件電路和軟件流程,并采用永磁同步電機(jī)矢量控制方法對壓縮機(jī)進(jìn)行控制,通過實驗得出了永磁同步電機(jī)在額定功率下的速度階躍響應(yīng)曲線。由于該芯片的使用使得軟件編程和硬件實現(xiàn)都較傳統(tǒng)的DSP有較大的改善。