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實現能(neng)效升級 | 基于(yu)ACM32 MCU的冰(bing)箱(xiang)壓(ya)縮機變頻方案

概(gai)述(shu)

冰箱(xiang)制(zhi)(zhi)冷(leng)系統(tong)中最(zui)重要的部件是壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)機。它(ta)從吸氣(qi)管吸入低(di)溫(wen)低(di)壓(ya)(ya)的制(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣(qi)體(ti)，通過電(dian)機運轉帶(dai)動活(huo)塞(sai)對其進行壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)后，向排氣(qi)管排出高溫(wen)高壓(ya)(ya)的制(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣(qi)體(ti)，為整個制(zhi)(zhi)冷(leng)循環提供源動力。這樣就實現(xian)了(le)壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)→冷(leng)凝→膨脹→蒸發 ( 吸熱 ) 的制(zhi)(zhi)冷(leng)循環。一般來說，壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)機由殼體(ti)、電(dian)動機、缸體(ti)、活(huo)塞(sai)、控制(zhi)(zhi)設備 ( 啟動器和(he)熱保護器 ) 及冷(leng)卻系統(tong)組成。

與(yu)普通冰箱相(xiang)比，變(bian)(bian)頻冰箱最顯著的(de)(de)優點是提高制冷(leng)效率(lv)、節約(yue)電力、節約(yue)能源。另外，在能快速(su)冷(leng)卻(que)的(de)(de)同時，還(huan)能保持溫度波動范圍較小，從而達到較好的(de)(de)冷(leng)藏保濕效果。壓(ya)縮機轉速(su)的(de)(de)精準控制，壓(ya)縮機無需頻繁啟停，噪(zao)音更(geng)小更(geng)安靜(jing)。本文討論了基于(yu)上(shang)海航芯ACM32G103的(de)(de)冰箱壓(ya)縮機變(bian)(bian)頻方(fang)案。

ACM32G103系列芯片規格(ge)介紹

? 采(cai)用M33內核(he)，主(zhu)頻最高可達120MHz

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

? SRAM：64KB，其(qi)中后8KB在STOP2低功耗模式下(xia)可(ke)保持數據

? 2路12bits ADC，共19個外部通道，最高速(su)率達3Msps，支持同(tong)步(bu)模式、加速(su)采(cai)(cai)樣、差分采(cai)(cai)樣以及AUTO等功能

? 2個16位高級(ji)定時器，支持PWM輸(shu)出/(6路)互補輸(shu)出/死去插(cha)入(ru)/剎車/編碼模式

? 通信接口豐富：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(zhuang)類型(xing)豐富：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100

? ESD：4KV(HBM)

? 工(gong)作溫度：-40°C~85°C

冰箱壓縮機變頻方案(an)

注：ACM32G103系(xi)列支(zhi)持OPA內(nei)部連(lian)接COMP和ADC

航芯冰箱壓(ya)縮機變(bian)頻(pin)方案以ACM32G103為主(zhu)控，主(zhu)要電(dian)力來源自電(dian)源轉(zhuan)換(huan)，采用磁鏈觀測器方式支持閉環全負(fu)載啟動。

變頻方案電機(ji)矢量控制(zhi)

整(zheng)個(ge)系統為(wei)閉環(huan)控制，內環(huan)為(wei)電流(liu)控制環(huan)路(lu)，外(wai)環(huan)為(wei)速度控制環(huan)路(lu)，電機本體方程如下：

FOC算(suan)法實(shi)現介紹

FOC算法基于磁鏈觀測器

基(ji)于(yu)α-β坐標系下的PMSM數學(xue)模型如下：

α-β坐標(biao)系下(xia)電感表(biao)示如(ru)下(xia)：

對于SPM，數(shu)學模型可以簡化為：

定義狀(zhuang)態(tai)變量：

狀態(tai)(tai)變(bian)量 y 實質就是反(fan)(fan)電勢，對(dui)(dui)反(fan)(fan)電勢積分(fen)可(ke)以得到磁(ci)鏈，那么對(dui)(dui)磁(ci)鏈的(de)狀態(tai)(tai)變(bian)量x微(wei)分(fen)則(ze)得到反(fan)(fan)電勢。關系式如下：

為了構(gou)建非線性觀測器，定義矢量函數：

矢量函數的模實質就是磁鏈幅值：

在對反電勢進行(xing)積分獲得磁(ci)(ci)鏈的(de)過程中，最擔(dan)心的(de)就(jiu)是直流偏(pian)置或積分漂移，常(chang)用高通濾波器、自適(shi)應(ying)補(bu)償等(deng)方(fang)式來抑制這(zhe)種負面因素。非線(xian)性模塊的(de)思路就(jiu)是把估算的(de)磁(ci)(ci)鏈的(de)幅值與實際磁(ci)(ci)鏈幅值的(de)差，作為估算的(de)磁(ci)(ci)鏈分量的(de)補(bu)償項。關系式如下:

完成狀態(tai)變量(liang)的觀(guan)測器之后，就得到了磁鏈分量(liang)，改寫如下：

通過觀測(ce)(ce)的磁鏈分量(liang)就得到(dao)了觀測(ce)(ce)的角度。

通過鎖相環就可(ke)以得(de)到速度和角度。

同時本算(suan)法(fa)為克服傳統轉速(su)環系統跟(gen)隨性差，動態響應場合(he)差等問題(ti)，同時提出了自擾抗ADRC系統，如圖所示。

傳統轉速(su)環，在負(fu)載(zai)變化時或者調速(su)時過(guo)沖嚴重，轉速(su)跟隨性能差。ADRC系統轉速(su)跟隨性能好，在動態負(fu)載(zai)場(chang)合好用。

結語  

ACM32G103主(zhu)頻高，支持(chi)浮(fu)點運算和(he)DSP，內置CORDIC，可(ke)以(yi)輕松實現上述的(de)SVPWM產(chan)生(sheng)器(qi)(qi)(qi)，Park/Clark變換，PI控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)，以(yi)及轉子(zi)位(wei)置觀測(ce)器(qi)(qi)(qi)。MCU內置的(de)高速12位(wei)逼(bi)近(jin)型ADC和(he)多級(ji)中斷系統可(ke)以(yi)確保(bao)閉環(huan)控制(zhi)的(de)實時性(xing)。

冰(bing)箱(xiang)(xiang)壓縮(suo)機變(bian)頻技(ji)術(shu)，能避免無謂的(de)能量(liang)消耗，省電(dian)節能；冰(bing)箱(xiang)(xiang)全天工作，采(cai)用(yong)變(bian)頻技(ji)術(shu)后，壓縮(suo)機始終處在低速運行狀態，可以徹底(di)消除(chu)因壓縮(suo)機啟動引起的(de)噪聲；變(bian)頻技(ji)術(shu)控溫精準、溫度連續可調，變(bian)頻冰(bing)箱(xiang)(xiang)對食(shi)材(cai)的(de)保鮮效果更好。優勢突出，變(bian)頻冰(bing)箱(xiang)(xiang)市(shi)場普及率還遠未達到(dao)行業預期，這(zhe)片市(shi)場大有可為。