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實現能效升級 | 基于ACM32 MCU的冰箱(xiang)壓縮機變(bian)頻方案
概述
冰箱制冷(leng)系統(tong)(tong)中最重要的部件是壓(ya)縮(suo)機(ji)。它(ta)從(cong)吸氣(qi)(qi)管吸入低溫低壓(ya)的制冷(leng)劑氣(qi)(qi)體，通過電機(ji)運(yun)轉帶(dai)動活(huo)(huo)塞對其(qi)進行壓(ya)縮(suo)后(hou)，向(xiang)排氣(qi)(qi)管排出高溫高壓(ya)的制冷(leng)劑氣(qi)(qi)體，為整個制冷(leng)循環提供源動力。這樣就實現(xian)了壓(ya)縮(suo)→冷(leng)凝→膨(peng)脹(zhang)→蒸(zheng)發(fa) ( 吸熱 ) 的制冷(leng)循環。一般來說(shuo)，壓(ya)縮(suo)機(ji)由殼體、電動機(ji)、缸(gang)體、活(huo)(huo)塞、控制設備 ( 啟動器和熱保(bao)護器 ) 及冷(leng)卻系統(tong)(tong)組成。
與普通冰箱(xiang)相(xiang)比，變(bian)頻(pin)冰箱(xiang)最顯著的(de)(de)(de)優點(dian)是提高制冷效率(lv)、節約電(dian)力、節約能源。另外(wai)，在能快速(su)冷卻的(de)(de)(de)同(tong)時，還能保持溫度波(bo)動(dong)范圍較(jiao)小(xiao)，從而達到較(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)冷藏保濕效果。壓縮(suo)機轉(zhuan)速(su)的(de)(de)(de)精準控(kong)制，壓縮(suo)機無需頻(pin)繁啟停，噪音更小(xiao)更安靜。本文討論了(le)基于上海(hai)航芯ACM32G103的(de)(de)(de)冰箱(xiang)壓縮(suo)機變(bian)頻(pin)方案。
ACM32G103系列芯片規(gui)格介(jie)紹
? 采用(yong)M33內核，主頻最高(gao)可(ke)達(da)120MHz
? eFlash：320KB，加密存儲，4KB I-Cache，4KB D-Cache，支持Flash加速0等待執行
? SRAM：64KB，其中后8KB在(zai)STOP2低功(gong)耗(hao)模(mo)式下(xia)可保持數據
? 2路12bits ADC，共19個外部通道，最高(gao)速(su)率達3Msps，支持同步模式、加(jia)速(su)采樣、差分采樣以及AUTO等功能
? 2個16位高級定時(shi)器，支持PWM輸出/(6路)互補輸出/死去(qu)插入/剎(cha)車/編碼模(mo)式
? 通信(xin)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(lei)型豐富(fu)：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100
? ESD：4KV(HBM)
? 工作溫度：-40°C~85°C
冰箱壓縮(suo)機變頻(pin)方案
注：ACM32G103系列支持OPA內(nei)部連(lian)接COMP和(he)ADC
航芯(xin)冰箱壓縮機(ji)變頻方案以ACM32G103為主(zhu)(zhu)控，主(zhu)(zhu)要(yao)電力(li)來源自電源轉換，采用磁(ci)鏈觀測器方式支持閉環全負載(zai)啟動。
變(bian)頻方(fang)案電(dian)機矢量控制
整個系統(tong)為(wei)閉環(huan)(huan)控制，內環(huan)(huan)為(wei)電流控制環(huan)(huan)路(lu)，外環(huan)(huan)為(wei)速度控制環(huan)(huan)路(lu)，電機本體方程如(ru)下：
FOC算法實現介(jie)紹
FOC算法基于磁鏈觀測(ce)器(qi)
基于(yu)α-β坐(zuo)標(biao)系下(xia)的PMSM數學(xue)模型如下(xia)：
α-β坐標系(xi)下電(dian)感表示(shi)如下：
對于SPM，數學模型(xing)可以(yi)簡(jian)化為：
定義(yi)狀態變量：
狀(zhuang)(zhuang)態(tai)變(bian)(bian)量 y 實質就是反電(dian)勢(shi)(shi)，對(dui)反電(dian)勢(shi)(shi)積分可以得到磁(ci)鏈，那么對(dui)磁(ci)鏈的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)變(bian)(bian)量x微(wei)(wei)分則得到反電(dian)勢(shi)(shi)。關(guan)系式如下：
為了構建非線性觀測器，定義矢量函數：
矢(shi)量函數的(de)模實(shi)質就(jiu)是磁鏈(lian)幅值(zhi)：
在對反電(dian)勢進行積分獲得磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)的過程(cheng)中，最擔心的就(jiu)是直(zhi)流偏置(zhi)或積分漂移，常(chang)用高通濾(lv)波器、自適(shi)應補償(chang)等方式來抑(yi)制這種負面因素。非線性模(mo)塊的思路就(jiu)是把(ba)估算的磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)的幅(fu)值與實際磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)幅(fu)值的差(cha)，作為估算的磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)分量的補償(chang)項。關系式如下(xia):
完(wan)成狀態(tai)變(bian)量的(de)觀測器之后，就(jiu)得(de)到了磁鏈分量，改寫如下：
通過(guo)觀測(ce)的磁(ci)鏈分(fen)量就得到了觀測(ce)的角度。
通過(guo)鎖相環就(jiu)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)速度(du)和角度(du)。
同時(shi)本算(suan)法(fa)為克服傳統(tong)轉速環系(xi)統(tong)跟隨性差，動態響(xiang)應(ying)場合差等問題，同時(shi)提出(chu)了自擾抗(kang)ADRC系(xi)統(tong)，如圖所示。
傳統轉速環(huan)，在負(fu)載變化(hua)時(shi)或者調速時(shi)過沖(chong)嚴重，轉速跟隨(sui)(sui)性(xing)能差。ADRC系統轉速跟隨(sui)(sui)性(xing)能好，在動(dong)態負(fu)載場(chang)合好用。
結(jie)語
ACM32G103主頻(pin)高，支持(chi)浮點(dian)運算和(he)DSP，內置(zhi)CORDIC，可以(yi)(yi)輕松實現(xian)上述的(de)SVPWM產生(sheng)器，Park/Clark變(bian)換，PI控制器，以(yi)(yi)及轉子(zi)位(wei)置(zhi)觀(guan)測器。MCU內置(zhi)的(de)高速12位(wei)逼(bi)近型ADC和(he)多(duo)級中斷(duan)系統可以(yi)(yi)確(que)保(bao)閉環控制的(de)實時性。
冰(bing)箱壓(ya)縮(suo)機變頻(pin)(pin)技術(shu)，能避(bi)免(mian)無謂的能量(liang)消耗，省電節能；冰(bing)箱全天工(gong)作(zuo)，采用變頻(pin)(pin)技術(shu)后，壓(ya)縮(suo)機始終處在低速運(yun)行狀態，可(ke)以徹底消除因(yin)壓(ya)縮(suo)機啟動(dong)引起的噪聲；變頻(pin)(pin)技術(shu)控溫精準、溫度連續可(ke)調，變頻(pin)(pin)冰(bing)箱對食材的保鮮效果(guo)更好。優勢突出，變頻(pin)(pin)冰(bing)箱市場(chang)普及率還(huan)遠未(wei)達到行業預(yu)期，這片市場(chang)大有可(ke)為。
