在變頻家電上的應用,分析和實踐表明基于IRMCF341微控制器的無傳感器的矢量控制技術變頻家電的解決方案具有高效率,成本低等諸多優點,必將得到廣泛的應用。
1. 概述
隨著國際油價的不斷攀升，人們越來越緊迫的認識到能源的重要性。如何高效，環保的利用能源是各個國家政府，學術界，工業界都非常注重的熱點問題，各種鼓勵節能減排的措施也層出不窮，節能儼然已成為現今社會的熱點話題。降低電機的能源消耗又是這場戰役的攻堅戰，據權威統計全世界電機每年消耗的能源占全球每年能源消耗的80％以上，而這其中對我們影響的莫過于家電中的電機能源消耗，比如電冰箱，空調，洗衣機等。變頻技術是降低電機能源消耗的一種有效手段，變頻家電在西方發達國家早已占據了主流，日本2000年變頻空調已占空調市場的90％以上，變頻冰箱占60％，變頻洗衣機占30～40％，而我們國內變頻家電的起步較晚，但近幾年發展迅猛，國內各大家電巨頭陸續推出了各種變頻家電產品，國務院發展研究中心市場經濟研究所預測：到2010年變頻空調將占據空調市場85％以上，有63％的消費者會選擇變頻空調。
變頻家電的變頻控制有多種實現方法，各有利弊，但哪種方法成本更低，效率更高，效果更好則是我們關心的問題。本文由淺至深介紹一種基于IRMCF341微控制器的無傳感器的矢量控制技術變頻家電的解決方案
2. 變頻技術簡介
通俗的講變頻技術是通過改變電機運行的交流電頻率實現速度控制的技術。以空調壓縮機為例目前主流的變頻空調采用的電機都是直流電機，按其驅動波形分為方波電機和正弦波電機，針對這兩種電機常用的有2種技術即120度控制技術和180度控制技術，即人們常說的方波驅動技術和正弦波驅動技術，下面就這兩種技術作個簡要的對比。
（1）120度控制技術：
120度控制技術是指任意時刻電機3相線只有2相導通，1相截止，表現在驅動波形上即在180度電周期內任1相線只連續通電120度，60度截止。這種技術驅動波形為方波，采用常見6拍換向方法進行換向控制。具有算法簡單,相對容易實現的優點,但同時也存在著一些缺點: 在轉速和轉矩發生變化時產生很大的轉差率,導致大電流,即能耗比,效率低； 轉矩特性差,負載加大時會丟轉速；低速轉矩特性差,容易發生抖動。120度控制技術在早期的變頻家電產品上有部分采用，但因其效率低，轉矩特性差等問題先已逐步被180度控制技術取代。目前市場上的180度控制技術是基于磁場定向矢量的變頻技術
（2）基于FOC(磁場定向)的矢量變頻控制系統：
其控制原理是通過一定的坐標轉換可以對磁通和轉矩直接控制，實現電流和轉速的雙閉環控制。具有 可以在不產生大流的情況下實現快速的動態響應，即能耗比，效率高；轉矩性能好，可以在不丟轉速的情況下保證足夠硬的轉矩特性的點。但其電機控制算法相對復雜，實時要求性高，對軟件人員要求高，主要應用于負載變化快，動態響應要求高的場合，如變頻空調，洗衣機，機床控制系統等。
3. IRMCF341芯片簡介
3.1 綜述
IRMCF341 是美國國際整流器（IR）新推出的針對變頻家電無傳感器控制應用的高性能低成本電機控制IC。它采用的基于磁場定位的矢量控制技術，利用單電阻電流采樣即可實現電機的三相電流重構,從而實現了FOC電流環和速度環雙閉環矢量控制, 驅動方式為180度正弦波。.IRMCF341 內含2 個高性能的處理引擎，一個是8 位高速8051 核，另一個是 用于電機無傳感器控制的16 位電機控制引擎（MCE ）。8051 核的執行速度為每兩個系統時鐘一個指令(如： 60MIPS @ 120MHz 系統時鐘)。8051 核和MCE 處理器:之間可以通過雙端口RAM 交換數據從而實現數據監視和指令輸入的功能。MCE 包含了基于硬件電路控制電機所需的所有控制資源，如PI 調節器、矢量旋轉、角度估計器、乘法/除法器、低損耗SVPWM 以及單電阻電流采樣/重構等等。復雜的無傳感器控制算法中的關鍵要素（如：角度估計器）全部是已經定義好的控制模塊，用戶可以通過使用與MATLAB/SIMULINK 環境無縫連接的圖形化編譯器來設計自己的電機控制算法（在MATLAB/SIMULINK 環境下通過連接各單元功能模塊并編譯即可）。8051 代碼的仿真和調試可以通過基于JTAG 口的第三方調試工具來完成。IRMCF341 內51 程序存儲器為48K 的RAM，封裝形式為小型QFP64 無鉛封裝。
IRMCF341
IRMCF341 是針對開發階段的版本，其48K 的程序存儲器為RAM，可以很方便地從外部EEPROM 載入8051 和MCE 控制代碼。批量生產時可以使用引腳完全相同的OTP 版本或掩模版本IRMCK341。其典型應用如下：
3.2 IRMCF341的結構功能
IRMCF341 的內部結構框圖如下圖2所示：
FOC算法功能的系統框圖：
所謂FOC控制算法是指:將電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換（CLARK變換），等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換（PARK變換），等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量。然后利用反PARK變換，反CLARK變換把直流控制量轉變為所需的三相交流量，進而控制電機。由于341采用無傳器的控制方法,所以一開始341的啟動并不能以閉環方式啟動,其啟動方式如下: 首先,通過給電機施加特定矢量，迫使轉子移動到指定位置(PARK定位)。以PARK結束時的電角度為起始點開環運行,,到達門限速度后切入閉環模式,若磁通檢驗成功,實現真正閉環控制,執行FOC控制算法。
4 IRMCF341的開發環境
硬件平臺：
IRMCS3041設計平臺
軟件設計平臺：
利用自帶的EXCEL表計算配置參數，配合MCE Designer調試電機，可得用MATLAB進行MCE結構設計和利用KEIL uVision2進行8051的代碼調試。
5 IPM簡介
IPM（Intelligent Power Module）,即智能功率模塊，不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起。而且還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優化的門極驅動電路以及快速保護電路構成。即使發生負載事故或使用不當，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關元件，內藏電流傳感器及驅動電路的集成結構。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場，尤其適合于驅動電機的變頻器和各種逆變電源，是變頻調速，冶金機械，電力牽引，伺服驅動，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。
IRAMS16UP60A PlugNDriveTM集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設計平臺系列的產品之一，它除了將6個高壓功率晶體管和驅動芯片IR2136等電路集成在一個小型絕緣封裝外，還具有過熱、過流、欠壓和內置死區控制防止高端IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和底端IGBT短路等保護功能，以確保操作安全以及系統可靠。此外，它還能夠由一個+15V直流電源來提供工作電壓，可以簡化其在電機驅動應用中的使用，并由此加速終產品的開發。
與分立元件相比，模塊除了具有眾所周知的優點（更小、更可靠、可視為單一元件）外，IRAMS16UP60A模塊還使設計者避免了在IGBT逆變器設計中常遇到的幾個問題：
（1）模塊具有很低的電路電感，可以減小電壓尖峰，在較低的開關損耗下可以工作于較高
的開關頻率；
（2）所有低端和高端IGBT的傳輸延遲匹配，可以防止直流電流加到電機上；
（3）內置死去時間控制提供充足死區時間防止高端IGBT和低端IGBT短路；
（4）故障安全工作確保過流過壓時停機，使設計者不用設計過流和過壓保護電路；
（5）提供了溫度監視和相電流檢測引腳。
5 IRMCF341在變頻家電上應用
5.1 應用分析
IRMCF341在變頻家電上應用，主要瞄準高功能和省電。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型輕量、大容量、高舒適感、長壽命、安全可靠、靜音、省電等優點。
341主要應用于永磁同步電機, 交流永磁同步電動機是一種可在50Hz三相交流電環境中直接啟動起來的電動機，其運行方式為：異步啟動、同步運行。交流永磁同步電動機是用稀土永磁材料取代傳統電勵磁而制成的高效節能電機，它不僅具有一般永磁電機結構簡單、運行可靠、發熱小等優點，還具有體積小、重量輕、損耗小、效率高等顯著特點，可以實現傳統電勵磁電機所難以達到的高性能。加上341基于FOC(磁場定向)的矢量變頻控制,驅動方式為180度正弦波,更使這方面的性能得到充分的發揮同時,341采用電單電阻電流采樣重構技術,節省了成本, 單電阻電流采樣重構技術是指 341利用當前PWM對應的電流狀態,采用合適的延遲時間（避開電流振蕩）即可采到真實的母線電流, 將采到的諸多時刻的電流按PWM的時序進行重組即可得到電機三相電流.如圖所示:
面對永磁同步電機,單電阻電流采樣這兩方面的特性非常符合變頻家電的特性,使得341在變頻家電上得到了廣泛的應用,首先是空調方面，采用了IRMCF341的變調控制以后，擴大了壓縮機的工作范圍，不需要壓縮機在斷續狀態下運行就可實現冷、暖控制，達到降低電力消耗，消除由于溫度變動而引起的不適感，其節能效果大幅度提高.。
其次，在洗衣機方面，過去使用變頻實現可變速控制，提高洗凈性能，而采用IRMCF341洗衣機除了節能和靜音化外，還在確保衣物柔和洗滌等方面推出新的控制內容；目前,貝能公司推出的基于341變頻洗衣機方案, (1)矢量控制:轉矩、速度雙閉環控制;的轉矩特性;更低的能耗;更高的效率;(2)外圍電路簡單:不需要昂貴的電流傳感器;單電阻采樣不需要復雜的電流檢測電路;比同類產品降低 25％左右的外圍器件.更是341在變頻技術上的典型及的運用。
在空調和洗衣機運用方面,基于341變頻方案也在國內一些知名大企業得到了應用,并相繼量產。
5．2 硬件設計
（1）主控制電路
（2）IPM驅動電路設計
IPM（智能功率模塊）驅動電路主要完成對341芯片產生的六路PWM信號的功率放大，驅動內部的功率管從而實現對電機的驅動。
5.3 軟件設計
（1）主控制流程 （2）馬達控制流程
6 小結
本文簡單略述變頻家電的市場背景和變頻技術。主要介紹了IRMCF341的芯片的特點和功能，開發環境并分析了其在變頻家電上的應用，由于IRMCF341的的控制性能，人性化的開發流程，使得它并不停留于家電上的應用，除了支持PMSM，BLDC等直流電機外，IR新推出的代碼已經支持ACIM交流感應異步電機，更大程度的擴展了IRMCF341在變頻控制上的應用。目前已有客戶利用IRMCF341開發成功變頻水泵，變頻跑步機等。變頻跑步機方案: 在FOC矢量控制模式下，提供足夠大的啟動轉矩，在沖擊負載的情況下，速度環和電流閉雙閉環矢量控制，反應速度快，同時由于主回路采用了大容量的平滑電容，針對跑步機負載，軟件上做了特殊修改，能有效平穩直流母線電壓，完全能符合跑步機負載特性的要求,低速上做到了5HZ, 無抖動帶載平穩啟動. 變頻水泵方面其節能效果經測試已超過了國外同類產品的水平。讀者如果想要了解更詳細的相關資料，可以到貝能科技網站HTTP://WWW.BURNON.COM下載了解或咨詢BURNON公司。