作者簡(jiǎn)介：馬劍彤，北京晶川電子 iMOTION™&IPM市場(chǎng)經(jīng)理；楊勇，北京晶川電子 電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件工程師；梁國(guó)柱，英飛凌科技（西安）有限公司 系統(tǒng)研發(fā)高級(jí)經(jīng)理

市場(chǎng)概述

近年來(lái)，我國(guó)持續(xù)加強(qiáng)推進(jìn)清潔能源的開發(fā)和利用，減少對(duì)煤炭等傳統(tǒng)能源的依賴，家電產(chǎn)品變頻化已成為趨勢(shì)；北方大力推進(jìn)“煤改電”政策，空氣源熱泵行業(yè)蓬勃發(fā)展、進(jìn)入高速增長(zhǎng)期。

一個(gè)熱泵客戶要求加快研發(fā)進(jìn)度，壓縮研發(fā)周期，希望在兩個(gè)月以內(nèi)完成熱泵永磁電機(jī)控制方案，盡早搶占市場(chǎng)先機(jī)。晶川電子迅速響應(yīng)客戶的需求，及時(shí)整合AE、FAE資源，積極支持此客戶來(lái)進(jìn)行研發(fā)，不到兩個(gè)月，就配合客戶完成了基于英飛凌iMotion™及英飛凌功率器件的熱泵方案研發(fā)工作，使此客戶順利投入到熱泵控制器的量產(chǎn)。

項(xiàng)目背景

熱泵的工作原理與壓縮式制冷機(jī)是一致的，在小型空調(diào)器中，為了充分發(fā)揮其效能，夏季空調(diào)降溫或冬季取暖，都是使用同一套設(shè)備來(lái)完成。冬季取暖時(shí)，將空調(diào)器中的蒸發(fā)器與冷凝器通過(guò)一個(gè)換向閥來(lái)調(diào)換工作。

熱泵的工作原理如圖1所示。在夏季空調(diào)降溫時(shí)，按制冷工況運(yùn)行，由壓縮機(jī)排出的高壓蒸汽，經(jīng)換向閥（又稱四通閥）進(jìn)入冷凝器；在冬季取暖時(shí)，先將換向閥轉(zhuǎn)向熱泵工作位置，于是由壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體，經(jīng)換向閥后流入室內(nèi)蒸發(fā)器（作冷凝器用），氣體冷凝時(shí)釋放出潛熱，將室內(nèi)空氣加熱，達(dá)到室內(nèi)取暖目的，冷凝后的液態(tài)制冷劑，從反向流過(guò)節(jié)流裝置進(jìn)入冷凝器（作蒸發(fā)器用），吸收外界熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的蒸汽經(jīng)過(guò)換向閥后被壓縮機(jī)吸入，完成制熱循環(huán)。這樣，將外界空氣（或循環(huán)水）中的熱量“泵”入溫度較高的室內(nèi)，故稱為“熱泵”。

圖1. 熱泵工作原理圖示意圖

采用變頻控制技術(shù)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的頻率（轉(zhuǎn)速），實(shí)現(xiàn)制熱（冷）量與房間冷（熱）負(fù)荷的自動(dòng)匹配，因此降低了損耗，提升綜合效率；通過(guò)準(zhǔn)確控制頻率、功率，可以有效提升在極端天氣情況下制熱效果。

不管是熱泵、洗衣機(jī)、料理機(jī)、風(fēng)扇等等，總有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，這類的應(yīng)用大多采用永磁電機(jī)。永磁電機(jī)主要包括永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）、或者永磁同步電機(jī)（PMSM）；永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制設(shè)計(jì)，必須要從永磁電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)開始，需要了解永磁材料的特性、電機(jī)繞組的設(shè)計(jì)、電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布、dq軸坐標(biāo)系和空間矢量變換下的電機(jī)模型、還需要了解弱磁控制算法、還要知道功率角、功率因數(shù)、MPTA，還有太多的參數(shù)需要了解，在如此短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出成品對(duì)所有人都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)；但是，英飛凌的iMotion™對(duì)這樣的挑戰(zhàn)卻能發(fā)揮出其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

基于英飛凌iMotion™平臺(tái)的熱泵設(shè)計(jì)思路

簡(jiǎn)單的介紹一下iMotionTM：

iMotion™是英飛凌一款用于調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的高度集成的產(chǎn)品系列。

iMotion™集成了無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制(FOC)所需的所有控制以及模擬接口功能。

iMOTION™采用英飛凌電機(jī)控制引擎 (MCE)，該引擎已獲專利且經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，無(wú)需在電機(jī)控制算法開發(fā)過(guò)程中進(jìn)行軟件編碼。

正是因?yàn)閕Motion™具備如此強(qiáng)大的功能，客戶不需要花太多精力在電機(jī)控制算法方面，大大降低客戶的開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。借助MCEwizard和 MCEDesigner等強(qiáng)大工具，可在不到1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行電機(jī)。當(dāng)然了，要想把電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行“好”，還是需要一定的功底的，晶川可以協(xié)助客戶完成相關(guān)設(shè)計(jì)、調(diào)試、優(yōu)化、量產(chǎn)工作。

基于iMotion™的熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)圖表

圖2. 基于iMotion™的熱泵電機(jī)系統(tǒng)框圖

1. 熱泵控制器實(shí)物圖

圖3. 熱泵控制主板

下表是熱泵控制電路主要元器件一覽。

表1. 主要元器件

2. 熱泵測(cè)試介紹

啟動(dòng)采用經(jīng)典的三段式啟動(dòng)：定位、開環(huán)啟動(dòng)、切閉環(huán)，波形如圖4所示。根據(jù)電機(jī)的參數(shù)和壓縮機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)，設(shè)定合理的啟動(dòng)過(guò)程參數(shù)，啟動(dòng)平穩(wěn)。

圖5輸出頻率是70Hz、90Hz高速運(yùn)行電流波形，高速運(yùn)行電流波形連續(xù)、平穩(wěn)；由于不同壓縮機(jī)的負(fù)載特性會(huì)有周期性的波動(dòng)，輸出電流會(huì)存在響應(yīng)的波動(dòng)。

滿載連續(xù)運(yùn)行的溫度曲線如圖6，連續(xù)運(yùn)行3小時(shí)后IPM的溫度72℃，還有較大的裕量，有利于長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

針對(duì)低溫工況，考慮到低溫下啟動(dòng)阻力較大，利用iMotion™的腳本語(yǔ)言開發(fā)了低溫預(yù)熱功能，很好的解決了低溫啟動(dòng)問(wèn)題。

圖4. 啟動(dòng)過(guò)程

圖5. 運(yùn)行電流波形（頻率70Hz、90Hz）

圖6. 帶載運(yùn)行的溫度曲線

3. 調(diào)試過(guò)程中典型問(wèn)題

速度上升到一定時(shí)，電流會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，電流波形如圖7所示。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)震蕩不是由于壓縮機(jī)的負(fù)載周期性波動(dòng)引起的，電流震蕩出現(xiàn)的“頻率點(diǎn)/轉(zhuǎn)速點(diǎn)”和電壓利用率到極限直接相關(guān)，因此需要采用弱磁來(lái)擴(kuò)大轉(zhuǎn)速范圍。iMotion™集成了弱磁算法，經(jīng)過(guò)優(yōu)化PFC和弱磁參數(shù)，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

圖7. 高速時(shí)電流震蕩