基于平臺的變速電動機方案開發(fā),中國減變速機協會

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發(fā)布日期：[2006/7/12] 共閱[1246]次

從家庭中常用的冰箱、洗衣機、洗碗機到工廠及加工廠的水泵和風扇、以及辦公室里的空調系統(tǒng)，中小型電機都需要得到有效的控制。在商業(yè)、工業(yè)和家庭環(huán)境中，我們對電動機的依賴無處不在，據估計電動機消耗的電能占據了全球電能消耗的50%以上。然而，問題在于絕大部分電動機都不是非常有效，就像感應電動機、交直流兩用電動機和不經濟的電動機械驅動器那樣效率低下�？紤]到環(huán)保、立法和商業(yè)，以及結合基于電動機設備消耗大量的能源，對于工程師來說很有必要找出改善電機效率的方法。以冰箱為例，它大約占家用電能的15%，其中大部分電能被浪費在將熱量泵出冰箱的過程中。傳統(tǒng)的冰箱所配備的單相感應電動機僅以全速工作，當(冰箱)內部溫度上升到期望的溫度時，壓縮電機就相應啟動；當達到期望的溫度時，電動機就停止工作�；蛞韵匆聶C為例，其中大部分電能被用于加熱大量的水，從而進一步提高效率的辦法可能是減少洗衣期間所需要的用水量。再以空調為例，它是家庭和辦公室中典型的、最大的電能消費者，里面可能有多個電動機(用于風扇和壓縮機)，增加了浪費電能的機會。最近特別發(fā)布了相關的法令以提高周期性能效比(SEER)，在中國這樣的國家中，空調機的使用量在不過五年之間內就增長了大約400%。變速電動機控制這些應用的共同點在于通過用基于逆變器的、變速、永磁同步電動機(PMSM)運動控制來替代傳統(tǒng)的感應電動機(AM1)，工程師可以設計出極高效率的電動機。提高效率會降低營業(yè)成本，并滿足了降低用電量的環(huán)保和立法的要求。其它的好處在于：變速解決方案產生更小的聲學噪音和電噪聲；工作產生的振動更低；產品的可靠性更高及電動機的控制更精確。工程師因而能將更多的功能設計到目標應用之中。迄今為止，實現變速電動機面臨的挑戰(zhàn)是在不增加系統(tǒng)成本的情況下運用電動機控制技術。這是個很大的挑戰(zhàn)，因為變速解決方案需要更復雜精密的驅動和控制電路。這樣的復雜性典型地讓許多國內OEM無法進行企業(yè)內部的開發(fā)。然而，上市時間和成本約束也意味著，購買最新的、預先封裝的電動機驅動并利用系統(tǒng)集成商的做法一般也不能獨立發(fā)展。因此，在變速電動機設計和實現的過程中，需要降低成本、縮短時間和控制風險的新方法。為了滿足這種需求，要采用集成的、基于平臺的電動機控制技術，在提供面向特定應用的配置靈活性的同時，讓“構建模塊”能被組合到實現變速電動機驅動所需要的功能之中。 IR公司用于變速電動機控制的平臺--稱為iMOTION——為設計工程師提供了一種不需要位置傳感器的、實現節(jié)能、變速正弦曲線電流控制的綜合系統(tǒng)級方法。該平臺為設計工程師提供了配置變速電動機控制好處所需要的一切。用于空調機的iMOTION平臺方案現在就可以(從IR)得到，并配備針對家用電器的解決方案。模擬的構建模塊iMOTION平臺構建模塊由數字控制器IC、模擬柵極驅動器、保護IC和功率平臺組成，它受到各種易用開發(fā)和支持工具的支持，包括參考設計、基于GUI的編程工具和文件。在此，我們將從最近發(fā)布的IRS2136D家族出發(fā)，來仔細分析該平臺的模擬單元。 IRS2136D家族是一系列組合了三相功率MOSFET和IGBT驅動器功能的高速、高電壓集成器件，并將綜合保護能力集成到單顆緊湊器件之中。封裝選項包括28引腳SOIC或PDIP封裝套(doormats)或44引腳PLCC。圖1所示為這些IC提供的功能方塊圖。 IR已經利用其專有的高壓IC(HVIC)技術來設計新器件。對于設計產品以驅動MOSFET和IGBT來說，該技術是比較理想的。柵驅動輸出的設計采用了抗閉鎖CMOS電路，該技術容許將低壓驅動器與高壓級開關集成起來，以在單片IC中實現高壓側和低壓側的柵極驅動器。如圖1所示，在IRS2136D家族的情形下，每一個器件都集成了三個獨立的高壓側和低壓側參考輸出溝道，從而為三相應用提供全面的解決方案。高壓側600V半橋逆變器柵驅動器提供懸浮溝道，該懸浮動溝道的設計是為了引導工作，以被用于驅動N溝道功率MOSFET或IGBT。每一個高壓側溝道內建的引導二極管起的重要作用是進一步減少元件數量和電路復雜性。該引導方案適用于大多數PWM配置，并可被用于與外部引導網絡并聯或取代外部網絡。這種靈活性使得IRS2136D產品適用于各種電動機控制應用，包括空調機、洗衣機、通用逆變器和微型/小型逆變器驅動。除了它們的驅動能力，新型IC還提供重要的內建保護功能級，過去該功能需要外部電路來實現。這種功能包括對所有溝道的欠壓鎖定和能夠自動關閉6個驅動器的過流啟動裝置(trip)。欠壓鎖定功能包括自動故障清除功能，而過流故障條件經外部RC網絡編程的一段延遲之后可被自動清除。此外，輸出驅動器的重要作用是高脈沖電流緩沖級，它的設計是為了提供交叉?zhèn)鲗ПＷo，該級防止意外短路并增加了逆變器的可靠性。新型的IRS2136D所工作的柵驅動電源范圍是10V到20V，其邏輯輸入與CMOS或輸出低到3.3V的LSTTL兼容。在產品生命期過程中，模擬柵驅動器都表現出參數的穩(wěn)定性，而為高壓側和低壓側溝道的參數匹配--如傳播延遲--支持精確的死區(qū)時間插入。分開的電源和信號地連接使得在低壓側IGBT上設計用于電流傳感的單DC線配置成為可能。完成設計以空調設計為例，圖2中IRS2136D與IR公司的iMOTION平臺一起被安裝在電動機驅動電路之中。在此情形下有兩個驅動器IC，一個用于風扇而另一個用于壓縮機，功率級由IC公司的高效率損耗阻滯溝道IGBT組成。系統(tǒng)核心的是IRMCF312數字控制器，該控制器結合了IR公司擁有專利的運動控制引擎(MCE)、一個模擬信號引擎(ASE)以及一個應用層處理器。MCE除了控制PFC電路之外，要為兩個電動機執(zhí)行復雜的無傳感器PMSM算法，而ASE為單個分流無傳感器控制提供所有的信號調理和轉換電路。應用層處理器獨立地定義來自MCE的空調系統(tǒng)的工作。


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