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實現能效(xiao)升級(ji) | 基(ji)于ACM32 MCU的(de)冰箱壓縮機(ji)變(bian)頻方案

概述(shu)

冰箱制(zhi)(zhi)冷(leng)系(xi)統中(zhong)最重要(yao)的部件是壓(ya)縮機。它從吸(xi)氣管(guan)吸(xi)入(ru)低(di)溫低(di)壓(ya)的制(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣體(ti)，通過電(dian)(dian)機運(yun)轉帶(dai)動(dong)(dong)活塞對其進行壓(ya)縮后，向排氣管(guan)排出高(gao)溫高(gao)壓(ya)的制(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣體(ti)，為(wei)整個(ge)制(zhi)(zhi)冷(leng)循環(huan)(huan)提供源動(dong)(dong)力。這樣就實(shi)現(xian)了壓(ya)縮→冷(leng)凝→膨脹→蒸發 ( 吸(xi)熱 ) 的制(zhi)(zhi)冷(leng)循環(huan)(huan)。一般(ban)來說，壓(ya)縮機由殼體(ti)、電(dian)(dian)動(dong)(dong)機、缸體(ti)、活塞、控(kong)制(zhi)(zhi)設備 ( 啟動(dong)(dong)器(qi)和(he)熱保護器(qi) ) 及冷(leng)卻(que)系(xi)統組成。

與普通冰(bing)(bing)箱相(xiang)比，變頻冰(bing)(bing)箱最顯著(zhu)的優點是提高制冷(leng)效率、節約電(dian)力、節約能(neng)源。另外，在能(neng)快速(su)冷(leng)卻的同時，還(huan)能(neng)保持溫度波動范圍(wei)較小，從而達(da)到(dao)較好的冷(leng)藏(zang)保濕效果。壓(ya)縮(suo)機(ji)(ji)轉速(su)的精準(zhun)控制，壓(ya)縮(suo)機(ji)(ji)無需頻繁(fan)啟停，噪音更小更安靜。本文討論了(le)基于上海航芯ACM32G103的冰(bing)(bing)箱壓(ya)縮(suo)機(ji)(ji)變頻方案(an)。

ACM32G103系列(lie)芯(xin)片(pian)規格介紹

? 采用(yong)M33內核，主頻最高可(ke)達(da)120MHz

? eFlash：320KB，加密存儲(chu)，4KB I-Cache，4KB D-Cache，支持Flash加速0等待執(zhi)行

? SRAM：64KB，其中后8KB在STOP2低功(gong)耗模式(shi)下可保持(chi)數(shu)據

? 2路12bits ADC，共19個外部(bu)通道(dao)，最高速率(lv)達3Msps，支持同步(bu)模式、加速采樣、差分采樣以及AUTO等功能

? 2個16位高(gao)級定時器，支持PWM輸(shu)出(chu)/(6路)互(hu)補(bu)輸(shu)出(chu)/死去插入/剎車(che)/編碼模式

? 通信接口豐富(fu)：4路(lu)UART、1路(lu)LPUART、3路(lu)SPI、2路(lu)I2C、2路(lu)I2S、2路(lu)CAN

? 封裝類型豐富(fu)：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100

? ESD：4KV(HBM)

? 工(gong)作溫度：-40°C~85°C

冰箱壓縮(suo)機變頻方(fang)案

注(zhu)：ACM32G103系列支持OPA內部連(lian)接COMP和ADC

航芯冰(bing)箱壓縮機變頻(pin)方案以ACM32G103為主(zhu)控(kong)，主(zhu)要電力來源自電源轉(zhuan)換，采用磁鏈觀測器方式支持閉環全(quan)負載啟動。

變頻(pin)方案電(dian)機(ji)矢量控(kong)制(zhi)

整個系統為(wei)閉環(huan)控(kong)制(zhi)，內環(huan)為(wei)電流控(kong)制(zhi)環(huan)路，外(wai)環(huan)為(wei)速(su)度控(kong)制(zhi)環(huan)路，電機本體方程如下：

FOC算(suan)法實現介紹(shao)

FOC算法基于磁鏈觀測器

基于α-β坐標(biao)系下的PMSM數(shu)學模型如下：

α-β坐標系(xi)下(xia)電感表示如下(xia)：

對于SPM，數學模(mo)型可(ke)以簡化為：

定義狀(zhuang)態變(bian)量(liang)：

狀態變量(liang) y 實質就(jiu)是反(fan)電勢(shi)，對反(fan)電勢(shi)積分可以得(de)到(dao)磁鏈(lian)，那(nei)么(me)對磁鏈(lian)的狀態變量(liang)x微(wei)分則得(de)到(dao)反(fan)電勢(shi)。關系式如下(xia)：

為了構建非線(xian)性觀測器，定義矢(shi)量函數：

矢量函數的(de)模實質就是磁鏈幅值：

在對反(fan)電勢進行(xing)積(ji)分(fen)獲得磁鏈(lian)的(de)(de)過(guo)程中(zhong)，最擔心的(de)(de)就(jiu)是直流偏置或積(ji)分(fen)漂移，常(chang)用高通濾(lv)波器(qi)、自適(shi)應(ying)補(bu)償等(deng)方式來(lai)抑(yi)制這種負面因素(su)。非線性模塊(kuai)的(de)(de)思路就(jiu)是把估算(suan)的(de)(de)磁鏈(lian)的(de)(de)幅值(zhi)與實際磁鏈(lian)幅值(zhi)的(de)(de)差(cha)，作為估算(suan)的(de)(de)磁鏈(lian)分(fen)量(liang)的(de)(de)補(bu)償項。關系式如下:

完成狀態(tai)變量的觀(guan)測(ce)器之后，就得到(dao)了磁鏈分量，改寫如下：

通(tong)過觀測的磁(ci)鏈分量就得到(dao)了觀測的角度。

通(tong)過鎖相環就(jiu)可(ke)以得(de)到速度和(he)角度。

同時本算法為克服傳統(tong)(tong)(tong)轉速環系統(tong)(tong)(tong)跟(gen)隨性差，動態響(xiang)應場合差等問(wen)題，同時提出了自擾抗ADRC系統(tong)(tong)(tong)，如圖所示。

傳統轉(zhuan)速(su)(su)環(huan)，在(zai)負載變化時或者調(diao)速(su)(su)時過沖嚴(yan)重，轉(zhuan)速(su)(su)跟隨(sui)性能差。ADRC系(xi)統轉(zhuan)速(su)(su)跟隨(sui)性能好，在(zai)動態負載場合(he)好用。

結語  

ACM32G103主頻高，支持浮點運算和DSP，內(nei)置(zhi)CORDIC，可(ke)以輕(qing)松實(shi)現上述的SVPWM產生(sheng)器(qi)，Park/Clark變換，PI控制器(qi)，以及轉子(zi)位(wei)置(zhi)觀測(ce)器(qi)。MCU內(nei)置(zhi)的高速12位(wei)逼(bi)近(jin)型ADC和多級(ji)中(zhong)斷(duan)系統(tong)可(ke)以確保閉環控制的實(shi)時性(xing)。

冰(bing)(bing)箱(xiang)壓縮機變(bian)頻(pin)技(ji)術(shu)，能(neng)避免無(wu)謂的(de)能(neng)量消耗(hao)，省電節(jie)能(neng)；冰(bing)(bing)箱(xiang)全天工作，采(cai)用變(bian)頻(pin)技(ji)術(shu)后(hou)，壓縮機始終處(chu)在低速運行狀態，可以(yi)徹(che)底消除因壓縮機啟(qi)動引起的(de)噪(zao)聲(sheng)；變(bian)頻(pin)技(ji)術(shu)控溫精準、溫度連續(xu)可調，變(bian)頻(pin)冰(bing)(bing)箱(xiang)對(dui)食材的(de)保鮮效(xiao)果更(geng)好。優勢突(tu)出，變(bian)頻(pin)冰(bing)(bing)箱(xiang)市(shi)場普及率(lv)還遠未達到(dao)行業預期，這片市(shi)場大有(you)可為。