隨著中國(guó)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(dòng)每年要用掉中國(guó)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(guó)乃至全球節(jié)省非常多的能耗。 　　 變頻空調(diào)是相對(duì)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(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行智能化的修正。同時(shí)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(guó)國(guó)際整流器公司（International Rectifier）最新推出了一款iMotion運(yùn)動(dòng)控制芯片IRMCF343，此芯片可以同時(shí)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(jì)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(jì)的IR公司專利運(yùn)動(dòng)控制引擎（Motion Control Engine,簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)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(dòng)控制芯片。如圖1所示，它包括三個(gè)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(jiǎn)稱MCU），另一部分是執(zhí)行信號(hào)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)引擎（Analog Signal Engine，簡(jiǎn)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(dòng)控制引擎（MCE）。 [align=center] 圖1　IRMCF343芯片組成部分[/align] 運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）是硬件模塊的集合，這些模塊用于實(shí)現(xiàn)無傳感器永磁同步電機(jī)的控制。它主要包括三個(gè)部分，分別是MCE庫(kù)（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(cè)、低損SVPWM等模塊，用戶可以選擇并連接這些庫(kù)模塊去形成一個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)并將其轉(zhuǎn)換為IRMCF343能識(shí)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(xiàng)參數(shù)，通過串口將程序下傳到芯片外部的EEPROM里。見圖2。 [align=center] 圖2　IRMCF343程序編寫示意圖 [/align] 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(shí)現(xiàn)的信號(hào)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。 [align=center] 圖3　IRMCF343芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[/align] 變頻空調(diào)設(shè)計(jì)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(duì)其作相關(guān)介紹。 [align=center] 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(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(huì)通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(jì) 　　 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)洌涣鬏斎氩恍杞?jīng)過整流橋整流而直接加在輸入端，任意時(shí)刻電路中只有兩個(gè)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(gè)功率因數(shù)校正電路部分的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。 　　 逆變電路采用智能功率模塊（IRAMX16UP60A）。它主要由驅(qū)動(dòng)加強(qiáng)器、IGBT逆變橋和檢測(cè)電路構(gòu)成。由于其自帶保護(hù)電路，因此可以對(duì)芯片進(jìn)行過熱過流雙重保護(hù)。 [ALIGN=CENTER] 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(duì)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(jì) 　　 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(shí)現(xiàn)，所以室外機(jī)軟件主要是實(shí)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(diǎn)，制定變頻空調(diào)室外機(jī)控制流程如圖6所示。 [align=center] 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(dòng)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。 [align=center] 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(shí)質(zhì)就是對(duì)定子電流空間矢量的相位和幅值進(jìn)行控制。在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成兩個(gè)相互垂直，彼此獨(dú)立的矢量id（產(chǎn)生磁通的勵(lì)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(chǎng)。它以三相對(duì)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(shí)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(gè)整體來處理，所得模型簡(jiǎn)單，具有直流電壓利用率高，諧波小，易于實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)，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(dòng)控制引擎MCE帶有的SVPWM模塊和轉(zhuǎn)子位置估測(cè)模塊來實(shí)現(xiàn)空間矢量控制。 　　 實(shí)驗(yàn)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(hào)為階躍信號(hào)的速度響應(yīng)曲線如圖8所示。 [align=center] 圖8　電機(jī)速度階躍響應(yīng)曲線[/align] 結(jié)語(yǔ) 　　 本文以國(guó)際整流器公司推出的IRMCF343伺服控制芯片為控制核心，設(shè)計(jì)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(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行控制，通過實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)都較傳統(tǒng)的DSP有較大的改善。