作者簡介：馬劍彤，北京晶川電子 iMOTION™&IPM市場經理；楊勇，北京晶川電子 電機驅動軟件工程師；梁國柱，英飛凌科技（西安）有限公司 系統研發高級經理

市場概述

近年來，我國持續加強推進清潔能源的開發和利用，減少對煤炭等傳統能源的依賴，家電產品變頻化已成為趨勢；北方大力推進“煤改電”政策，空氣源熱泵行業蓬勃發展、進入高速增長期。

一個熱泵客戶要求加快研發進度，壓縮研發周期，希望在兩個月以內完成熱泵永磁電機控制方案，盡早搶占市場先機。晶川電子迅速響應客戶的需求，及時整合AE、FAE資源，積極支持此客戶來進行研發，不到兩個月，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工作，使此客戶順利投入到熱泵控制器的量產。

項目背景

熱泵的工作原理與壓縮式制冷機是一致的，在小型空調器中，為了充分發揮其效能，夏季空調降溫或冬季取暖，都是使用同一套設備來完成。冬季取暖時，將空調器中的蒸發器與冷凝器通過一個換向閥來調換工作。

熱泵的工作原理如圖1所示。在夏季空調降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經換向閥（又稱四通閥）進入冷凝器；在冬季取暖時，先將換向閥轉向熱泵工作位置，于是由壓縮機排出的高溫高壓氣體，經換向閥后流入室內蒸發器（作冷凝器用），氣體冷凝時釋放出潛熱，將室內空氣加熱，達到室內取暖目的，冷凝后的液態制冷劑，從反向流過節流裝置進入冷凝器（作蒸發器用），吸收外界熱量而蒸發，蒸發后的蒸汽經過換向閥后被壓縮機吸入，完成制熱循環。這樣，將外界空氣（或循環水）中的熱量“泵”入溫度較高的室內，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，可以通過調節壓縮機的頻率（轉速），實現制熱（冷）量與房間冷（熱）負荷的自動匹配，因此降低了損耗，提升綜合效率；通過準確控制頻率、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、料理機、風扇等等，總有電機驅動的，這類的應用大多采用永磁電機。永磁電機主要包括永磁無刷直流電機（BLDC）、或者永磁同步電機（PMSM）；永磁電機的驅動和控制設計，必須要從永磁電機的基礎知識開始，需要了解永磁材料的特性、電機繞組的設計、電機內部磁場的分布、dq軸坐標系和空間矢量變換下的電機模型、還需要了解弱磁控制算法、還要知道功率角、功率因數、MPTA，還有太多的參數需要了解，在如此短的時間內開發出成品對所有人都是一個巨大的挑戰；但是，英飛凌的iMotion™對這樣的挑戰卻能發揮出其強大的優勢。

基于英飛凌iMotion™平臺的熱泵設計思路

簡單的介紹一下iMotionTM：

iMotion™是英飛凌一款用于調速驅動器的高度集成的產品系列。

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

iMOTION™采用英飛凌電機控制引擎 (MCE)，該引擎已獲專利且經過實踐驗證，無需在電機控制算法開發過程中進行軟件編碼。

正是因為iMotion™具備如此強大的功能，客戶不需要花太多精力在電機控制算法方面，大大降低客戶的開發成本、縮短開發周期。借助MCEwizard和 MCEDesigner等強大工具，可在不到1小時的時間內啟動并運行電機。當然了，要想把電機系統運行“好”，還是需要一定的功底的，晶川可以協助客戶完成相關設計、調試、優化、量產工作。

基于iMotion™的熱泵系統設計及相關圖表

圖2. 基于iMotion™的熱泵電機系統框圖

1. 熱泵控制器實物圖

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. 熱泵測試介紹

啟動采用經典的三段式啟動：定位、開環啟動、切閉環，波形如圖4所示。根據電機的參數和壓縮機的負載特點，設定合理的啟動過程參數，啟動平穩。

圖5輸出頻率是70Hz、90Hz高速運行電流波形，高速運行電流波形連續、平穩；由于不同壓縮機的負載特性會有周期性的波動，輸出電流會存在響應的波動。

滿載連續運行的溫度曲線如圖6，連續運行3小時后IPM的溫度72℃，還有較大的裕量，有利于長期可靠運行。

針對低溫工況，考慮到低溫下啟動阻力較大，利用iMotion™的腳本語言開發了低溫預熱功能，很好的解決了低溫啟動問題。

圖4. 啟動過程

圖5. 運行電流波形（頻率70Hz、90Hz）

圖6. 帶載運行的溫度曲線

3. 調試過程中典型問題

速度上升到一定時，電流會出現波動，電流波形如圖7所示。經過分析發現，這個震蕩不是由于壓縮機的負載周期性波動引起的，電流震蕩出現的“頻率點/轉速點”和電壓利用率到極限直接相關，因此需要采用弱磁來擴大轉速范圍。iMotion™集成了弱磁算法，經過優化PFC和弱磁參數，很好地解決了這個問題。

圖7. 高速時電流震蕩