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實現能效(xiao)升級(ji) | 基于ACM32 MCU的冰箱壓縮機(ji)變(bian)頻方案(an)

概(gai)述

冰箱制(zhi)(zhi)冷(leng)系統中最(zui)重要的部件是壓縮機。它(ta)從吸(xi)氣(qi)管吸(xi)入(ru)低(di)溫(wen)低(di)壓的制(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣(qi)體，通過電機運轉帶動(dong)活塞(sai)(sai)對其進行壓縮后，向排氣(qi)管排出高(gao)溫(wen)高(gao)壓的制(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣(qi)體，為整個(ge)制(zhi)(zhi)冷(leng)循環(huan)(huan)提供源動(dong)力。這樣(yang)就(jiu)實現了壓縮→冷(leng)凝→膨脹(zhang)→蒸發(fa) ( 吸(xi)熱(re) ) 的制(zhi)(zhi)冷(leng)循環(huan)(huan)。一(yi)般來說，壓縮機由殼體、電動(dong)機、缸體、活塞(sai)(sai)、控制(zhi)(zhi)設(she)備(bei) ( 啟動(dong)器(qi)(qi)和熱(re)保護器(qi)(qi) ) 及(ji)冷(leng)卻系統組(zu)成。

與(yu)普通冰(bing)箱相(xiang)比(bi)，變頻(pin)冰(bing)箱最顯著(zhu)的優點是提(ti)高制冷(leng)效率(lv)、節約電力、節約能源。另(ling)外，在能快(kuai)速冷(leng)卻的同(tong)時，還能保(bao)持溫(wen)度(du)波動范圍較小，從而(er)達到較好的冷(leng)藏保(bao)濕效果(guo)。壓(ya)縮(suo)機轉速的精準控制，壓(ya)縮(suo)機無需頻(pin)繁啟停，噪音更小更安靜(jing)。本文討(tao)論了基于上海(hai)航芯ACM32G103的冰(bing)箱壓(ya)縮(suo)機變頻(pin)方案。

ACM32G103系列芯片規(gui)格介紹

? 采用M33內(nei)核，主頻(pin)最高可達120MHz

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

? SRAM：64KB，其中后8KB在STOP2低功耗模式下可保(bao)持數據

? 2路12bits ADC，共19個外部通道，最高速率達3Msps，支持同步模式、加速采樣(yang)、差分采樣(yang)以及AUTO等功(gong)能(neng)

? 2個16位高(gao)級定(ding)時器，支持PWM輸(shu)出(chu)/(6路(lu))互補(bu)輸(shu)出(chu)/死去插入/剎車/編碼(ma)模式

? 通信(xin)接(jie)口豐富：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(fu)：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100

? ESD：4KV(HBM)

? 工作溫度(du)：-40°C~85°C

冰箱壓縮(suo)機變頻方案

注：ACM32G103系(xi)列(lie)支持OPA內部連(lian)接(jie)COMP和(he)ADC

航芯冰箱壓縮(suo)機變頻方(fang)案(an)以ACM32G103為主控，主要電力來源自(zi)電源轉換，采用磁鏈觀測器方(fang)式(shi)支持(chi)閉(bi)環(huan)全負載啟動。

變頻方案(an)電機(ji)矢量控制

整(zheng)個系統(tong)為閉(bi)環(huan)(huan)控制(zhi)，內環(huan)(huan)為電(dian)流控制(zhi)環(huan)(huan)路，外環(huan)(huan)為速度控制(zhi)環(huan)(huan)路，電(dian)機本體方程如下(xia)：

FOC算法實現介(jie)紹

FOC算法(fa)基于(yu)磁鏈(lian)觀測器

基于(yu)α-β坐(zuo)標(biao)系(xi)下的PMSM數學模型如下：

α-β坐標系下電感表示(shi)如(ru)下：

對于SPM，數學模型(xing)可以簡化為(wei)：

定義狀態(tai)變量(liang)：

狀態變(bian)量 y 實質(zhi)就是反(fan)電(dian)勢，對(dui)反(fan)電(dian)勢積分可以(yi)得(de)到(dao)磁(ci)鏈，那么(me)對(dui)磁(ci)鏈的(de)狀態變(bian)量x微分則得(de)到(dao)反(fan)電(dian)勢。關系式如下：

為了構建非線性觀(guan)測器，定義矢量(liang)函數：

矢量函數的模實質就(jiu)是(shi)磁鏈幅值：

在對(dui)反電勢進行積分獲(huo)得磁(ci)鏈(lian)的過程中，最(zui)擔心(xin)的就(jiu)是直流偏置或(huo)積分漂移，常(chang)用高(gao)通濾波器(qi)、自適(shi)應補(bu)償等方式來抑制這種負面(mian)因素。非線(xian)性模塊的思路就(jiu)是把估算的磁(ci)鏈(lian)的幅值(zhi)與實際磁(ci)鏈(lian)幅值(zhi)的差，作為(wei)估算的磁(ci)鏈(lian)分量的補(bu)償項(xiang)。關系式如下(xia):

完成狀態(tai)變量的(de)觀(guan)測(ce)器之后(hou)，就得(de)到了磁鏈分量，改寫如(ru)下：

通過觀測的(de)磁鏈分量就得(de)到了觀測的(de)角(jiao)度。

通過鎖相環就可以得到(dao)速度和角度。

同時(shi)本(ben)算法為克服傳(chuan)統轉速環系(xi)統跟隨(sui)性差，動態響應(ying)場合差等(deng)問題，同時(shi)提出了自擾抗ADRC系(xi)統，如圖所(suo)示。

傳(chuan)統轉(zhuan)(zhuan)速(su)環(huan)，在負載變(bian)化時(shi)或者調速(su)時(shi)過(guo)沖嚴重，轉(zhuan)(zhuan)速(su)跟隨(sui)性能差。ADRC系統轉(zhuan)(zhuan)速(su)跟隨(sui)性能好(hao)，在動態(tai)負載場合好(hao)用(yong)。

結(jie)語  

ACM32G103主頻高，支持浮點運(yun)算和DSP，內(nei)置(zhi)CORDIC，可(ke)以輕(qing)松實現上述(shu)的SVPWM產生(sheng)器(qi)(qi)，Park/Clark變(bian)換，PI控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，以及(ji)轉(zhuan)子位置(zhi)觀測器(qi)(qi)。MCU內(nei)置(zhi)的高速12位逼近型ADC和多級中斷系統可(ke)以確(que)保閉(bi)環控制(zhi)(zhi)的實時性。

冰(bing)箱(xiang)(xiang)壓縮(suo)機(ji)變(bian)頻(pin)(pin)(pin)技(ji)術，能避免無謂的能量(liang)消耗(hao)，省電(dian)節(jie)能；冰(bing)箱(xiang)(xiang)全天工(gong)作，采用變(bian)頻(pin)(pin)(pin)技(ji)術后，壓縮(suo)機(ji)始終處(chu)在低速運行(xing)狀態，可以徹底消除(chu)因壓縮(suo)機(ji)啟動引起的噪聲；變(bian)頻(pin)(pin)(pin)技(ji)術控溫(wen)精準、溫(wen)度連(lian)續可調，變(bian)頻(pin)(pin)(pin)冰(bing)箱(xiang)(xiang)對食材(cai)的保鮮效果更好。優勢突(tu)出，變(bian)頻(pin)(pin)(pin)冰(bing)箱(xiang)(xiang)市(shi)場普及率還遠未達到行(xing)業預期，這片(pian)市(shi)場大有可為。