用于节能电机控制的iMOTIONTM 综合设计平台

　　据美国电力研究学会(EPRI)的数据,在泵、空调、冰箱、洗衣机、电梯和传送机中所使用的电机，在整个世界的电力消耗中占一半以上。 现在国际上在政府层都已认识到这一事实，出现了如美国能源之星和欧盟生态标签体系之类的方案，以鼓励消费者和商家去寻求环保型的产品。

节能可变速率

　　这种设备的主体由估计会浪费多达供应电能60%的感应电机控制，因为它们使用廉价的机电驱动器，驱动电机的运行方式只有全速或停止两种。 采用永磁同步电机(PMSM)更易于变为可变速运行，这样能够大幅降低这种浪费。 来自国际能源展望的数据说明，有望在世界经济范围内节约3500亿英磅。

　　变速驱动器的额外益处还包括更低的声觉和电子噪音，以及更低的震动程度。 在有些情况下，与开/关式驱动相比，可配置体积较小、功率更低的电机。 因为能够精确控制电机，设计者可应用新的特性或功能以进一步使其市场上的产品多样化。

　　因此，出于环保和促销的原因，设计者会极为敏锐地在下一代家电中应用变速电机驱动。 然而，变速电机需要比传统的开/关式总电机更为精密的驱动和控制电路，增加了设计程序的复杂程度。 这种复杂性使大多数OEM无法在内部开发。 不过，由于有面市时间和成本的限制，就意味着购买预封装的成品电机驱动系统集成器一般是不可行的。 因此，出现了对于变速电机驱动设计和应用的新方法的需求，要求其可降低其成本、时间和相关的风险。

　　要满足这一需求，International Rectifier公司推出了电机控制应用的iMOTION平台。iMOTION随IP 和软件工具一起，为开发者提供了兼容硬件“构件块”，可快速组合成形，构建特定应用的变速电机驱动。

iMOTION控制器

　　图1展示了iMOTIONTM综合设计平台的各元件构建完整的运动控制解决方案基础的方式。 在设计的核心部分是一个专用的控制集成电路，结合了一个叫做运动控制器(MCE)的IP模块，可执行所有硬件中封闭回路控制所需的控制动作，由此便在产品开发者所承担的责任中免除了软件开发这一部分。

　　运动硬件周边支持空间矢量PWM，且电机电流回馈连接，以及用于并行多回路控制的流量控制逻辑也在芯片内进行。使用一个可对内部寄存器进行配置的基于PC的软件工具，设计者可以快速优化集成电路以适应选定电机参数及其他系统参数。
这种共集成8051基的8位MCU运行该应用程序,可与电机控制运算规则独立运行。这样可使开发者不必为了开发应用程序而成为电机控制的专家。不过，MCE和8051MCU共享一个双口RAM，可使控制器设定点从应用程序内部中运行时被加以调整。对于如力矩电流(IQ)之类的控制变量也可方便地进行监控。

　　电机控制运算规则亦可在MCE硬件中快速执行，而不会过度消耗电力。实际上，这一步可以约11ms内完成，此速度已足够实现空调系统中风扇和压缩机电机的同步控制。

　　图1中所示的模拟模块负责通过一个外部分流电阻感应电机相位，并将电流信息转化为适于在低压电路中传输的数字信号。在最新的设计平台上，因为有位于直流连接底侧的单电流感应器，所以不必使用绝缘电压。

　　适当的A/D取样定时可以从通过直流连接分流器的信号中提取三相电机的电流。

　
图1  iMOTION综合设计平台

　　IMOTION平台使您可以选择一种带有多向集成IGBT开关的智能功率模块(IPM)解决方案，以及可使用离散IGBT的三相驱动器。IR的专利高压集成电路(HVIC)技术，使iMOTION IPM和驱动器可直接连接数字控制集成电路和额定电压为600伏的IGBT。包括关机、过载保护和温度感应之类的IGBT保护功能也已提供。

运动控制器内部构造

　　MCE使用无感应磁场定向控制(FOC)以控制PMSM的速度和力矩。FOC使用旋转矢量将交流电机绕组电流解耦为两支直流组件控制力矩(IQ)和流量(ID)。这样便简化了控制器设计，因为电流回路调谐已与电机速度互相独立开来。

　　图2说明了FOC在IR的MCE硬件中执行的原理。外部速度回路计算出基于速度错误的IQ回路的力矩引用命令。在速度回路的输入中还有一个RAMP功能，可限规定范围内的加速，在输出上也有一个LIMIT功能，可限定电机电流。还包括一个额外控制功能，可在驱动内部永磁体(IPM)电机时实现相位增强以使力矩输出最大化。流量参考值在低速上设置为零，以使每安普扭矩最大化，但也可设为负值，以减弱高速运行的流量。磁场削弱运算规则可计算优化的ID参考电流，从而使可用导向电压的利用最大化。

　
图2 MCE内部结构

配置MCE

　　通过使用基于PC的MCEDesignerTM图形编辑工具从可用MCE功能的库中进行选择，产品开发者可快速定制运算规则以满足特定性能要求。在选择时，有一个专用的编码程序将所需的电机控制功能编译为MCE定序器指令，它可以正确序列连接硬件宏模块来执行控制系统。由此便减少了设计错误并可缩短开发时间。设计工具包括有运行在8051微控制器上的通讯工具软件，可以为共享内存中的控制参数和系统变量提供MCEDesigner通道。这样无需修改或编译软件，便可修改控制器设计点和控制回路增益以及其他常数。

应用优先的数字控制

　　MCE可在很大范围内许多不同的应用需求中，作为内嵌模块使用。例如，可使开发者得以更方便地使用iMOTION平台。IR推出了内含MCE的专用控制集成电路，已为洗衣机、空调和泵的应用做出专门优化。

　　IRMCF341专为洗衣机应用做出了优化设计。除内嵌的MCE IP之外，这种设备集成了低功耗的空间矢量PWM模块，用于直接连接到其中一个iMOTION IGBT栅极驱动器。还集成了一个单向并联电流重组电路，可使并联电阻器直接连接至集成电路，无需额外的外部模拟或数字电路。

　　用于空调应用的IRMFC312使用基于MCE的电路控制运算进行两个无感应永磁同步电机的速度控制以及数字PFC控制。在芯片内提供的两个PWM输出适于直接连接到iMOTION IGBT栅极驱动器，用于一般在压缩机中使用的内部永磁(IPM)电机，并连接到一个表面型(SPM)电机，通常用于驱动风扇。

　　在最近，IR又增加了IRMCF371，这是为泵应用而专门优化设计的。所使用的栅极驱动器为IRAMS06UP60B，一种紧凑型的IPM，可单列直插式(SIP1)封装的三相变频 IC 驱动器。图3展示了在泵应用中情况。这些产品定位于可自动调节配置以适应系统所需压力的变速智能泵。这种泵可以比固定速率泵的远为高效，每年可实现20%至50%的潜在节能效果。

　
图3   智能水泵设计

结论： 效率催化剂

　　不断增加的国内能源价格会刺激节能型家电的市场需求，如洗衣机、洗碗机等。另一方面，直接立法会影响服务方式的变化，如空调部件和电机驱动的净水和废水泵管理，这在新的建筑项目中都是具体化的内容。比如，强制执行可持续住房以使节能系统利用最大化的压力，在整个欧洲和北美都十分紧迫。例如在有些地区，变速泵已经成为新建筑中的规定用泵。

　　市场和立法部门的联合影响，会要求更为精密的电机控制器快速而且划算，正如由iMOTION综合设计平台所推出的一样。