基于英飞凌IRMCF188在变频空调设计中的应用

厂商供稿 发表于 2018-09-06 16:35:01 收藏 已收藏
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基于英飞凌IRMCF188在变频空调设计中的应用

厂商供稿 发表于 2018-09-06 16:35:01
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前言

随着人们生活水平提高,空调早已作为生活必须品进入人们的家庭,相比冰箱、洗衣机每家每户一般只用一台来说,越来越多的家庭会给每个房间都安装一套空调以提高生活品质,所以空调市场的容量预计会达到冰箱和洗衣机市场的数倍,前景非常广阔。

近年来,随着变频技术的日益成熟,变频空调的普及率也逐步提高。变频空调除了众所周知的节能效果突出外,出风柔和、噪音低、不易得空调病之类的优点也越来越为大众所接受,从目前国内外空调厂家出货的情况可以看出,变频的占比已经高于定频,而且增长势头不减,未来空调变频化设计将成市场主流。

目前市场上空调变频方案主要分日系和欧美系两类,日系由瑞萨和NEC方案为主,欧美系则以TI方案和今天重点介绍的Infineon的iMotionTM方案为代表。iMotionTM方案与其他方案的主要不同,在于iMotionTM方案是一个专用电机驱动方案,芯片已经内置了经过市场验证的完整的电机驱动算法,客户只需要集中精力于把系统调试稳定,并完成自己的空调外机主控程序,就可以迅速完成外机开发,加快产品上市的进度。

iMotionTM方案简介

iMotionTM方案硬件是基于Infineon公司高性能微处理器完成的,处理器内部分为两个核心,MCE核和MCU核,如图一:

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图一

其中,MCE是电机驱动核,所有电机驱动相关的工作都由这部分完成;

ASE是在MCE内的一部分,主要完成一些信号处理和ADC的工作;

MCU部分是一个基于51核的8bit MCU,主要用来完成配置MCE以及其他一些周边外设的控制。

对于MCE核内的电机控制算法,Infineon公司有根据不同的需求发布的不同的固件程序,一般情况下可以直接使用,只需要完成电机参数配置即可;对于特殊需要,可以用Matlab进行功能的更改,Infineon公司发布的所有固件,都有对应的Matlab文件发布,使用者可以按需要更改,如图二:

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图二

针对变频空调应用的不同,Infineon公司推出了“1PFC+1MOTOR“应用的IRMCF188方案和”1PFC+2MOTOR“应用的IRMCF311方案,因为市场上占比最大的是”1PFC+1MOTOR“的控制方案,所以本文重点介绍IRMCF188方案的配置和使用情况。

IRMCF188芯片介绍

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图三

图三是IRMCF188芯片的资源简表,可以看出IRMCF188芯片拥有64K Flash,16K RAM,TQFP64封装,这个配置可以满足目前绝大部分空调外机对MCU资源的需求,可以完成变频空调外机的单芯片方案的应用。

IRMCF188芯片内部资源的框图如下图四:

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图四

从框图可见,MCE部分完成了PFC的驱动和保护,电机部分的驱动和保护以及各电压电流的AD采集;MCU部分则包括了通用MCU需要的外设资源,他们两者之间通过双口RAM来进行数据交换,这样可以保证数据交换的及时和有效。

另外需要注意的是,IRMCF188芯片包含了内置的高速运放和比较器,如图五所示,这样带来的好处是,可以减少方案外部器件的使用,降低整体BOM成本,并缩小印制板所需面积。从图中可以看出,内置的运放和比较器,可以完成电机的单电阻或双电阻电流采样、保护,PFC的电流采样和交流电压采样等工作,只需要通过外部的阻容网络来配置合适的参数即可。这些所有的初始化工作全部由MCE部分固件完成,使用者完全不需要参与控制。

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图五

IRMCF188变频空调外机应用

如下图六,是一个标准的变频空调外机应用框图,配合交流风机和毛细管,可以应用于1.5P及以下的三级能效外机。

因为使用了IRMCF188控制方案,外围的运算放大器和比较器都可以省掉,整个结构简单明了,非常有利于产品的开发验证,以缩短产品上市周期。

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图六

IRMCF188电机参数配置

Infineon公司为iMotionTM电机控制应用准备了详细的开发文档和工具,具体内容可以到Infineon公司的官网下载,如图七。安装完以后,在安装目录主要有三个工具,用来配置、调试和烧录iMotionTM芯片,下面分别对三个工具做一个简单说明。

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图七

MCEWizard100

这个工具是用来配置电机参数的,主要分系统、电机、PFC三个部分。

系统页面见图八,本页主要配置母线电压和AD校准的信息。

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图八

电机页面见图九,本页输入主要包括:

压缩机厂家提供的规格书参数,如额定转速、电阻、电感、反电动势等。

电路板上使用的相关采样电路的参数,如采样电阻阻值、电路增益等。

电流环和速度环参数,如电流环PI值、速度环PI值等。

此页是压缩机是否能可靠高效运转的关键配置页,后期调试需要根据整机系统的表现来微调某些参数。

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图九

PFC页面见图十,本页输入主要是PFC相关参数,如输入电压范围、电感量、电容量、采样电路参数等,根据空调系统最终的需求来配置即可。

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图十

MCEDesigner

MCEDesigner工具是一个功能强大的iMotionTM电机调试工具,可以把配置好的电机参数导入到工具中,通过Infineon公司随软件提供的MECDesigner专用程序,可以不用任何软件开发,即可以开始电机和硬件系统的评估和调试,可以完全替代传统的软硬件都大概准备好再开始评估和调试的模式,节省开发时间,降低立项的风险。

MCEDesigner工具启动界面如图十一,可以直观的看到电机运行的所有参数,部分参数可以在电机运行的过程中实时更改,并直接看到电机运行状态的变化,以方便参数的确定。

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图十一

System栏是一个类似于软件示波器的应用,可以将你选中的变量以波形的方式送到电脑屏幕上,直观的来判断电机运行状态,对一些示波器或逻辑分析仪无法直接测量的变量分析特别有效,如图十二,展示的就是磁通观测的结果,这个变量无法通过外部测量设备直接获取。

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图十二

MCEProgrammer

MCEProgrammer工具是针对iMotion系列的专用烧写工具,可以把8051 Hex文件和MCE bin文件下载到芯片内进行调试,界面如图十三。注意两个文件必须同时烧写,否则程序无法正常运行。

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图十三

通过以上工具,就可以用最短时间完成一个变频空调外机PFC加压缩机控制的评估和调试,后续只需要再按照整机控制的要求,完成主控部分(8051部分)程序的设计开发即可,对于现在空调整机变化频繁的时代来说,开发周期的缩短会在市场上产生直接可观的经济效益。

总结

IRMCF188芯片做为Infineon公司推出的电机控制专用芯片,以其高集成度和简洁的开发模式,针对变频空调外机1PFC+1Motor的应用有其他方案不可比拟的技术优势,可以帮助客户用最短的时间,最优的成本完成变频空调外机的设计。而且其内置电机控制算法经过十几年的积累,已经可以完全满足目前变频空调市场对控制方案的苛刻要求,方案的风险可以降到最低,是目前变频空调外机方案首选的控制方案之一。

  作者:贝能国际有限公司 费翔

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