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實現(xian)能效升級 | 基(ji)于ACM32 MCU的(de)冰箱(xiang)壓縮機變頻方(fang)案(an)

概述

冰箱制冷系統(tong)中最(zui)重要的(de)(de)部件是壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)機。它(ta)從(cong)吸(xi)氣管吸(xi)入低溫低壓(ya)(ya)的(de)(de)制冷劑氣體，通過電(dian)(dian)機運轉(zhuan)帶動(dong)活塞對(dui)其進(jin)行壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)后，向排(pai)氣管排(pai)出(chu)高溫高壓(ya)(ya)的(de)(de)制冷劑氣體，為整個制冷循(xun)環提(ti)供(gong)源動(dong)力(li)。這樣(yang)就實(shi)現了壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)→冷凝→膨(peng)脹(zhang)→蒸(zheng)發 ( 吸(xi)熱 ) 的(de)(de)制冷循(xun)環。一般來說(shuo)，壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)機由殼體、電(dian)(dian)動(dong)機、缸體、活塞、控制設備(bei) ( 啟動(dong)器和熱保護器 ) 及冷卻系統(tong)組成。

與普通冰(bing)箱(xiang)相(xiang)比，變頻冰(bing)箱(xiang)最顯著的優點是提高制(zhi)冷效(xiao)率、節(jie)約電(dian)力、節(jie)約能源。另外，在(zai)能快速冷卻的同時，還能保(bao)持溫度(du)波動(dong)范圍較小，從(cong)而達到較好的冷藏保(bao)濕效(xiao)果。壓(ya)縮機轉速的精準控制(zhi)，壓(ya)縮機無需頻繁啟(qi)停，噪音更小更安靜(jing)。本文討論了基于(yu)上海(hai)航芯ACM32G103的冰(bing)箱(xiang)壓(ya)縮機變頻方案(an)。

ACM32G103系列芯片規(gui)格介紹

? 采用M33內(nei)核，主頻最高可(ke)達120MHz

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

? SRAM：64KB，其(qi)中后(hou)8KB在STOP2低功耗(hao)模式下可(ke)保持數(shu)據(ju)

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

? 2個16位高級定時器，支持PWM輸出/(6路(lu))互補(bu)輸出/死(si)去(qu)插入/剎車(che)/編碼(ma)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(feng)裝類型豐富：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100

? ESD：4KV(HBM)

? 工作溫度：-40°C~85°C

冰(bing)箱壓縮機變頻方案

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

航芯冰(bing)箱(xiang)壓縮機(ji)變(bian)頻方(fang)案以ACM32G103為主(zhu)控，主(zhu)要電(dian)力來源自電(dian)源轉換，采用磁鏈觀測器方(fang)式支持閉環全負載(zai)啟動。

變頻方案(an)電機矢(shi)量控制

整個系(xi)統為閉環控(kong)制，內環為電流控(kong)制環路(lu)，外環為速度控(kong)制環路(lu)，電機本(ben)體方(fang)程如(ru)下：

FOC算法實(shi)現介紹

FOC算法基于磁鏈觀測(ce)器

基于α-β坐(zuo)標系下的PMSM數學模型如下：

α-β坐標系下(xia)電(dian)感表示(shi)如下(xia)：

對(dui)于SPM，數學(xue)模型可以簡化為：

定義狀態變(bian)量：

狀態變量 y 實質(zhi)就是反電(dian)勢(shi)，對反電(dian)勢(shi)積分(fen)可以得到磁鏈(lian)，那么對磁鏈(lian)的狀態變量x微分(fen)則得到反電(dian)勢(shi)。關系(xi)式如下(xia)：

為了(le)構建非線(xian)性觀測(ce)器，定義矢(shi)量函數：

矢量函數的模實(shi)質就是(shi)磁鏈幅值：

在對反電勢(shi)進行積分獲(huo)得(de)磁鏈(lian)(lian)的(de)過(guo)程(cheng)中，最(zui)擔心的(de)就是直(zhi)流偏置或積分漂移，常用(yong)高通(tong)濾波(bo)器(qi)、自適應補(bu)償等方式來(lai)抑制這種負面因素。非線(xian)性模塊的(de)思路(lu)就是把(ba)估算(suan)的(de)磁鏈(lian)(lian)的(de)幅值與實(shi)際磁鏈(lian)(lian)幅值的(de)差，作為估算(suan)的(de)磁鏈(lian)(lian)分量的(de)補(bu)償項。關系式如下:

完(wan)成(cheng)狀(zhuang)態變量的(de)觀(guan)測器之后(hou)，就(jiu)得到(dao)了磁鏈分量，改寫如下：

通過觀測的(de)(de)磁(ci)鏈分量就(jiu)得到了觀測的(de)(de)角度。

通過鎖(suo)相(xiang)環就可以得到速(su)度和角度。

同時本(ben)算法(fa)為克(ke)服傳統轉速環系統跟(gen)隨性差(cha)，動態響應場合差(cha)等問題，同時提出了自擾(rao)抗ADRC系統，如(ru)圖所示。

傳統(tong)轉(zhuan)速(su)(su)環，在負載變(bian)化時或者調(diao)速(su)(su)時過沖嚴重，轉(zhuan)速(su)(su)跟(gen)(gen)隨性能(neng)差(cha)。ADRC系統(tong)轉(zhuan)速(su)(su)跟(gen)(gen)隨性能(neng)好(hao)，在動(dong)態負載場合好(hao)用(yong)。

結語  

ACM32G103主頻高，支持浮(fu)點(dian)運算和DSP，內(nei)置(zhi)CORDIC，可以輕松實現上(shang)述的SVPWM產生器(qi)(qi)，Park/Clark變換，PI控制器(qi)(qi)，以及轉子位置(zhi)觀測器(qi)(qi)。MCU內(nei)置(zhi)的高速12位逼近型ADC和多(duo)級中斷系統可以確保閉環控制的實時性。

冰(bing)箱(xiang)壓縮機變(bian)(bian)頻(pin)技(ji)術(shu)(shu)，能(neng)避免(mian)無(wu)謂的(de)能(neng)量消耗，省電(dian)節能(neng)；冰(bing)箱(xiang)全天(tian)工(gong)作，采用(yong)變(bian)(bian)頻(pin)技(ji)術(shu)(shu)后，壓縮機始終處在低速運行狀態，可(ke)以徹底消除因壓縮機啟動引(yin)起的(de)噪聲(sheng)；變(bian)(bian)頻(pin)技(ji)術(shu)(shu)控溫精準、溫度連續可(ke)調(diao)，變(bian)(bian)頻(pin)冰(bing)箱(xiang)對(dui)食(shi)材的(de)保(bao)鮮效果更好。優勢突(tu)出，變(bian)(bian)頻(pin)冰(bing)箱(xiang)市(shi)場普及率還遠未達到行業預期，這片市(shi)場大(da)有可(ke)為。