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實現能效升級 | 基(ji)于ACM32 MCU的冰箱壓縮機變頻(pin)方案(an)
概述(shu)
冰(bing)箱制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)系統(tong)(tong)中最(zui)重要的部件是壓(ya)縮(suo)機(ji)(ji)。它從吸氣(qi)管(guan)吸入低溫(wen)低壓(ya)的制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)劑氣(qi)體(ti)，通過電機(ji)(ji)運(yun)轉帶動活塞(sai)對其進行壓(ya)縮(suo)后，向排氣(qi)管(guan)排出高溫(wen)高壓(ya)的制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)劑氣(qi)體(ti)，為整個制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)循(xun)環(huan)提供源動力。這樣就實(shi)現了壓(ya)縮(suo)→冷(leng)(leng)凝→膨脹→蒸發 ( 吸熱 ) 的制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)循(xun)環(huan)。一(yi)般來說，壓(ya)縮(suo)機(ji)(ji)由殼體(ti)、電動機(ji)(ji)、缸體(ti)、活塞(sai)、控制(zhi)(zhi)(zhi)設備 ( 啟(qi)動器和熱保護器 ) 及冷(leng)(leng)卻系統(tong)(tong)組成。
與普(pu)通冰箱(xiang)相比(bi)，變(bian)頻冰箱(xiang)最顯著的(de)優點是提高(gao)制冷(leng)效率、節約電力、節約能(neng)源。另外，在能(neng)快(kuai)速(su)冷(leng)卻的(de)同(tong)時，還能(neng)保持溫度波動范(fan)圍較(jiao)小，從而達到(dao)較(jiao)好的(de)冷(leng)藏保濕效果(guo)。壓縮機轉速(su)的(de)精準控制，壓縮機無需頻繁啟停，噪(zao)音更小更安靜。本文討論了(le)基于上海航芯ACM32G103的(de)冰箱(xiang)壓縮機變(bian)頻方案。
ACM32G103系列芯片規(gui)格(ge)介(jie)紹
? 采(cai)用M33內核(he)，主頻最高(gao)可(ke)達(da)120MHz
? eFlash：320KB，加密存儲(chu)，4KB I-Cache，4KB D-Cache，支持Flash加速(su)0等待執(zhi)行
? SRAM：64KB，其中后8KB在(zai)STOP2低功耗模(mo)式下可保持數據(ju)
? 2路12bits ADC，共(gong)19個外部通道(dao)，最(zui)高速(su)率(lv)達3Msps，支持同步(bu)模式(shi)、加速(su)采樣(yang)、差分采樣(yang)以及AUTO等(deng)功能
? 2個(ge)16位高(gao)級定時器，支持PWM輸出/(6路)互(hu)補輸出/死去插入/剎車/編碼模式
? 通信接口豐(feng)富：4路UART、1路LPUART、3路SPI、2路I2C、2路I2S、2路CAN
? 封裝類型豐(feng)富：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100
? ESD：4KV(HBM)
? 工作溫度(du)：-40°C~85°C
冰箱壓縮機變頻方案
注(zhu)：ACM32G103系列(lie)支持OPA內(nei)部連接(jie)COMP和ADC
航(hang)芯(xin)冰箱壓縮機變頻(pin)方案以(yi)ACM32G103為主(zhu)控，主(zhu)要電力來源自電源轉換，采用磁(ci)鏈觀測器方式支持閉環全(quan)負(fu)載啟動。
變頻(pin)方案(an)電機矢量控制
整個系統(tong)為(wei)閉環(huan)控(kong)制(zhi)，內環(huan)為(wei)電(dian)流控(kong)制(zhi)環(huan)路(lu)，外環(huan)為(wei)速度控(kong)制(zhi)環(huan)路(lu)，電(dian)機本體方(fang)程(cheng)如下：
FOC算法實現介紹
FOC算法基于磁鏈(lian)觀(guan)測器
基于α-β坐標系下的PMSM數學(xue)模(mo)型如下：
α-β坐標系下電(dian)感表示如下：
對于SPM，數學模型可以簡化(hua)為(wei)：
定義狀態變量：
狀態(tai)變量 y 實(shi)質(zhi)就是反電勢(shi)，對反電勢(shi)積分(fen)可以得到(dao)磁鏈(lian)，那(nei)么對磁鏈(lian)的狀態(tai)變量x微(wei)分(fen)則得到(dao)反電勢(shi)。關系式如下：
為(wei)了(le)構(gou)建非線性(xing)觀測器(qi)，定義(yi)矢量函數：
矢量函(han)數的模(mo)實質就是磁鏈幅值(zhi)：
在對反電勢進行(xing)積分獲得磁(ci)(ci)鏈(lian)的過程中，最(zui)擔心的就(jiu)是(shi)直流(liu)偏置或(huo)積分漂移，常用高通濾波器、自適應補(bu)償(chang)等方式來(lai)抑(yi)制這種負(fu)面因素。非線性模塊的思路就(jiu)是(shi)把估(gu)(gu)算的磁(ci)(ci)鏈(lian)的幅值與實際磁(ci)(ci)鏈(lian)幅值的差，作為估(gu)(gu)算的磁(ci)(ci)鏈(lian)分量的補(bu)償(chang)項。關(guan)系式如(ru)下:
完成狀態變(bian)量(liang)的觀測(ce)器之后，就得到了磁鏈分量(liang)，改寫如下：
通過觀測(ce)的磁鏈(lian)分量就(jiu)得到(dao)了觀測(ce)的角度。
通過(guo)鎖相環就可以得到速度和角度。
同時本算法為(wei)克服傳統(tong)轉速(su)環系統(tong)跟隨性差，動態響應場合差等問題，同時提出(chu)了自(zi)擾抗ADRC系統(tong)，如圖所示。
傳統(tong)轉速環，在(zai)(zai)負(fu)載(zai)變化時或者(zhe)調速時過沖嚴重(zhong)，轉速跟(gen)隨性(xing)能差。ADRC系統(tong)轉速跟(gen)隨性(xing)能好，在(zai)(zai)動(dong)態(tai)負(fu)載(zai)場合好用。
結(jie)語
ACM32G103主(zhu)頻高，支持浮點運算和(he)DSP，內(nei)置(zhi)CORDIC，可(ke)以(yi)(yi)輕松(song)實現上述的(de)SVPWM產生器(qi)，Park/Clark變換，PI控(kong)制器(qi)，以(yi)(yi)及轉子位置(zhi)觀測(ce)器(qi)。MCU內(nei)置(zhi)的(de)高速12位逼近(jin)型(xing)ADC和(he)多(duo)級中(zhong)斷系統可(ke)以(yi)(yi)確(que)保閉環控(kong)制的(de)實時性(xing)。
冰(bing)(bing)箱(xiang)壓縮機變(bian)頻技術(shu)(shu)，能避免(mian)無謂的能量消(xiao)耗，省電節能；冰(bing)(bing)箱(xiang)全天工作，采(cai)用變(bian)頻技術(shu)(shu)后，壓縮機始終處在低速運(yun)行狀(zhuang)態，可(ke)以徹底消(xiao)除因壓縮機啟動引起的噪聲(sheng)；變(bian)頻技術(shu)(shu)控溫(wen)精準(zhun)、溫(wen)度連續可(ke)調(diao)，變(bian)頻冰(bing)(bing)箱(xiang)對食(shi)材的保鮮(xian)效(xiao)果更好。優勢(shi)突出，變(bian)頻冰(bing)(bing)箱(xiang)市(shi)場普及(ji)率還(huan)遠(yuan)未(wei)達到行業預期(qi)，這片市(shi)場大(da)有可(ke)為。
