基于英飛凌IRMCF188在變頻空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

前言

隨著人們生活水平提高，空調(diào)早已作為生活必須品進(jìn)入人們的家庭，相比冰箱、洗衣機(jī)每家每戶一般只用一臺(tái)來(lái)說(shuō)，越來(lái)越多的家庭會(huì)給每個(gè)房間都安裝一套空調(diào)以提高生活品質(zhì)，所以空調(diào)市場(chǎng)的容量預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到冰箱和洗衣機(jī)市場(chǎng)的數(shù)倍，前景非常廣闊。

近年來(lái)，隨著變頻技術(shù)的日益成熟，變頻空調(diào)的普及率也逐步提高。變頻空調(diào)除了眾所周知的節(jié)能效果突出外，出風(fēng)柔和、噪音低、不易得空調(diào)病之類的優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越為大眾所接受，從目前國(guó)內(nèi)外空調(diào)廠家出貨的情況可以看出，變頻的占比已經(jīng)高于定頻，而且增長(zhǎng)勢(shì)頭不減，未來(lái)空調(diào)變頻化設(shè)計(jì)將成市場(chǎng)主流。

目前市場(chǎng)上空調(diào)變頻方案主要分日系和歐美系兩類，日系由瑞薩和NEC方案為主，歐美系則以TI方案和今天重點(diǎn)介紹的Infineon的iMotionTM方案為代表。iMotionTM方案與其他方案的主要不同，在于iMotionTM方案是一個(gè)專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，芯片已經(jīng)內(nèi)置了經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證的完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法，客戶只需要集中精力于把系統(tǒng)調(diào)試穩(wěn)定，并完成自己的空調(diào)外機(jī)主控程序，就可以迅速完成外機(jī)開(kāi)發(fā)，加快產(chǎn)品上市的進(jìn)度。

iMotionTM方案簡(jiǎn)介

iMotionTM方案硬件是基于Infineon公司高性能微處理器完成的，處理器內(nèi)部分為兩個(gè)核心，MCE核和MCU核，如圖一：

圖一

其中，MCE是電機(jī)驅(qū)動(dòng)核，所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的工作都由這部分完成；

ASE是在MCE內(nèi)的一部分，主要完成一些信號(hào)處理和ADC的工作；

MCU部分是一個(gè)基于51核的8bit MCU，主要用來(lái)完成配置MCE以及其他一些周邊外設(shè)的控制。

對(duì)于MCE核內(nèi)的電機(jī)控制算法，Infineon公司有根據(jù)不同的需求發(fā)布的不同的固件程序，一般情況下可以直接使用，只需要完成電機(jī)參數(shù)配置即可；對(duì)于特殊需要，可以用Matlab進(jìn)行功能的更改，Infineon公司發(fā)布的所有固件，都有對(duì)應(yīng)的Matlab文件發(fā)布，使用者可以按需要更改，如圖二：

圖二

針對(duì)變頻空調(diào)應(yīng)用的不同，Infineon公司推出了“1PFC+1MOTOR“應(yīng)用的IRMCF188方案和”1PFC+2MOTOR“應(yīng)用的IRMCF311方案，因?yàn)槭袌?chǎng)上占比最大的是”1PFC+1MOTOR“的控制方案，所以本文重點(diǎn)介紹IRMCF188方案的配置和使用情況。

IRMCF188芯片介紹

圖三

圖三是IRMCF188芯片的資源簡(jiǎn)表，可以看出IRMCF188芯片擁有64K Flash，16K RAM，TQFP64封裝，這個(gè)配置可以滿足目前絕大部分空調(diào)外機(jī)對(duì)MCU資源的需求，可以完成變頻空調(diào)外機(jī)的單芯片方案的應(yīng)用。

IRMCF188芯片內(nèi)部資源的框圖如下圖四：

圖四

從框圖可見(jiàn)，MCE部分完成了PFC的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，電機(jī)部分的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)以及各電壓電流的AD采集；MCU部分則包括了通用MCU需要的外設(shè)資源，他們兩者之間通過(guò)雙口RAM來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這樣可以保證數(shù)據(jù)交換的及時(shí)和有效。

另外需要注意的是，IRMCF188芯片包含了內(nèi)置的高速運(yùn)放和比較器，如圖五所示，這樣帶來(lái)的好處是，可以減少方案外部器件的使用，降低整體BOM成本，并縮小印制板所需面積。從圖中可以看出，內(nèi)置的運(yùn)放和比較器，可以完成電機(jī)的單電阻或雙電阻電流采樣、保護(hù)，PFC的電流采樣和交流電壓采樣等工作，只需要通過(guò)外部的阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)配置合適的參數(shù)即可。這些所有的初始化工作全部由MCE部分固件完成，使用者完全不需要參與控制。

圖五

IRMCF188變頻空調(diào)外機(jī)應(yīng)用

如下圖六，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的變頻空調(diào)外機(jī)應(yīng)用框圖，配合交流風(fēng)機(jī)和毛細(xì)管，可以應(yīng)用于1.5P及以下的三級(jí)能效外機(jī)。

因?yàn)槭褂昧薎RMCF188控制方案，外圍的運(yùn)算放大器和比較器都可以省掉，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，非常有利于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證，以縮短產(chǎn)品上市周期。

圖六

IRMCF188電機(jī)參數(shù)配置

Infineon公司為iMotionTM電機(jī)控制應(yīng)用準(zhǔn)備了詳細(xì)的開(kāi)發(fā)文檔和工具，具體內(nèi)容可以到Infineon公司的官網(wǎng)下載，如圖七。安裝完以后，在安裝目錄主要有三個(gè)工具，用來(lái)配置、調(diào)試和燒錄iMotionTM芯片，下面分別對(duì)三個(gè)工具做一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)明。

圖七

MCEWizard100

這個(gè)工具是用來(lái)配置電機(jī)參數(shù)的，主要分系統(tǒng)、電機(jī)、PFC三個(gè)部分。

系統(tǒng)頁(yè)面見(jiàn)圖八，本頁(yè)主要配置母線電壓和AD校準(zhǔn)的信息。

圖八

電機(jī)頁(yè)面見(jiàn)圖九，本頁(yè)輸入主要包括：

壓縮機(jī)廠家提供的規(guī)格書(shū)參數(shù)，如額定轉(zhuǎn)速、電阻、電感、反電動(dòng)勢(shì)等。

電路板上使用的相關(guān)采樣電路的參數(shù)，如采樣電阻阻值、電路增益等。

電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)，如電流環(huán)PI值、速度環(huán)PI值等。

此頁(yè)是壓縮機(jī)是否能可靠高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵配置頁(yè)，后期調(diào)試需要根據(jù)整機(jī)系統(tǒng)的表現(xiàn)來(lái)微調(diào)某些參數(shù)。

圖九

PFC頁(yè)面見(jiàn)圖十，本頁(yè)輸入主要是PFC相關(guān)參數(shù)，如輸入電壓范圍、電感量、電容量、采樣電路參數(shù)等，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)最終的需求來(lái)配置即可。

圖十

MCEDesigner

MCEDesigner工具是一個(gè)功能強(qiáng)大的iMotionTM電機(jī)調(diào)試工具，可以把配置好的電機(jī)參數(shù)導(dǎo)入到工具中，通過(guò)Infineon公司隨軟件提供的MECDesigner專用程序，可以不用任何軟件開(kāi)發(fā)，即可以開(kāi)始電機(jī)和硬件系統(tǒng)的評(píng)估和調(diào)試，可以完全替代傳統(tǒng)的軟硬件都大概準(zhǔn)備好再開(kāi)始評(píng)估和調(diào)試的模式，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低立項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)。

MCEDesigner工具啟動(dòng)界面如圖十一，可以直觀的看到電機(jī)運(yùn)行的所有參數(shù)，部分參數(shù)可以在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)時(shí)更改，并直接看到電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化，以方便參數(shù)的確定。

圖十一

System欄是一個(gè)類似于軟件示波器的應(yīng)用，可以將你選中的變量以波形的方式送到電腦屏幕上，直觀的來(lái)判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)一些示波器或邏輯分析儀無(wú)法直接測(cè)量的變量分析特別有效，如圖十二，展示的就是磁通觀測(cè)的結(jié)果，這個(gè)變量無(wú)法通過(guò)外部測(cè)量設(shè)備直接獲取。

圖十二

MCEProgrammer

MCEProgrammer工具是針對(duì)iMotion系列的專用燒寫(xiě)工具，可以把8051 Hex文件和MCE bin文件下載到芯片內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，界面如圖十三。注意兩個(gè)文件必須同時(shí)燒寫(xiě)，否則程序無(wú)法正常運(yùn)行。

圖十三

通過(guò)以上工具，就可以用最短時(shí)間完成一個(gè)變頻空調(diào)外機(jī)PFC加壓縮機(jī)控制的評(píng)估和調(diào)試，后續(xù)只需要再按照整機(jī)控制的要求，完成主控部分（8051部分）程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)即可，對(duì)于現(xiàn)在空調(diào)整機(jī)變化頻繁的時(shí)代來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)周期的縮短會(huì)在市場(chǎng)上產(chǎn)生直接可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

總結(jié)

IRMCF188芯片做為Infineon公司推出的電機(jī)控制專用芯片，以其高集成度和簡(jiǎn)潔的開(kāi)發(fā)模式，針對(duì)變頻空調(diào)外機(jī)1PFC+1Motor的應(yīng)用有其他方案不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以幫助客戶用最短的時(shí)間，最優(yōu)的成本完成變頻空調(diào)外機(jī)的設(shè)計(jì)。而且其內(nèi)置電機(jī)控制算法經(jīng)過(guò)十幾年的積累，已經(jīng)可以完全滿足目前變頻空調(diào)市場(chǎng)對(duì)控制方案的苛刻要求，方案的風(fēng)險(xiǎn)可以降到最低，是目前變頻空調(diào)外機(jī)方案首選的控制方案之一。

作者：貝能國(guó)際有限公司 費(fèi)翔