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基于英飞凌IRMCF188在变频空调设计中的应用

时间：2018-09-07 14:04来源：贝能国际有限公司 费翔

摘要：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，就可以迅速外机开发，加快产品上市的进度。

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：

 
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：

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

 
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：

 
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。
 
 
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。
 
 
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。
 
 
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。

 
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。
 
 
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。
 
 
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。

 
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。
 
 
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。

 
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。
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