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實現能效升級 | 基于(yu)ACM32 MCU的(de)冰箱壓縮機(ji)變頻方案(an)

概述(shu)

冰(bing)箱制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)系統中最重要的(de)(de)部件是壓(ya)縮機。它從吸氣管(guan)吸入低溫(wen)低壓(ya)的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣體(ti)，通過電(dian)機運轉帶(dai)動活塞對其(qi)進行(xing)壓(ya)縮后(hou)，向排(pai)氣管(guan)排(pai)出高溫(wen)高壓(ya)的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)劑氣體(ti)，為(wei)整個制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)循環提供源動力(li)。這樣(yang)就實現了(le)壓(ya)縮→冷(leng)凝→膨脹(zhang)→蒸發 ( 吸熱 ) 的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)循環。一般來說(shuo)，壓(ya)縮機由殼體(ti)、電(dian)動機、缸體(ti)、活塞、控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)設備 ( 啟動器和熱保護器 ) 及冷(leng)卻系統組成。

與普通(tong)冰(bing)箱相(xiang)比，變(bian)頻冰(bing)箱最顯著的(de)優點是(shi)提高制冷效(xiao)率、節約電力、節約能源。另外(wai)，在能快速冷卻的(de)同時(shi)，還能保(bao)持(chi)溫度(du)波動范(fan)圍較(jiao)小，從而(er)達(da)到較(jiao)好(hao)的(de)冷藏(zang)保(bao)濕效(xiao)果。壓縮機轉速的(de)精準控制，壓縮機無(wu)需頻繁啟停，噪音更小更安靜(jing)。本文(wen)討論了(le)基于上(shang)海航芯ACM32G103的(de)冰(bing)箱壓縮機變(bian)頻方案。

ACM32G103系列芯片規格介紹

? 采用M33內(nei)核，主頻(pin)最高可達120MHz

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

? SRAM：64KB，其(qi)中后(hou)8KB在(zai)STOP2低功(gong)耗模式下(xia)可保持數(shu)據

? 2路12bits ADC，共19個(ge)外部通道，最高速(su)率達3Msps，支持同步模式(shi)、加速(su)采(cai)樣、差分采(cai)樣以及AUTO等功能

? 2個16位高級定時器，支持PWM輸(shu)出/(6路)互補輸(shu)出/死去插入/剎車/編碼模(mo)式

? 通(tong)信(xin)接口豐(feng)富：4路(lu)(lu)UART、1路(lu)(lu)LPUART、3路(lu)(lu)SPI、2路(lu)(lu)I2C、2路(lu)(lu)I2S、2路(lu)(lu)CAN

? 封裝(zhuang)類型豐富：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100

? ESD：4KV(HBM)

? 工(gong)作溫度(du)：-40°C~85°C

冰箱壓縮機變(bian)頻(pin)方(fang)案

注：ACM32G103系列支持OPA內部(bu)連接COMP和ADC

航(hang)芯冰箱(xiang)壓(ya)縮(suo)機變頻(pin)方(fang)案(an)以ACM32G103為主控，主要電力來(lai)源(yuan)自(zi)電源(yuan)轉換(huan)，采用磁鏈觀測器方(fang)式支(zhi)持閉環全負載啟動。

變(bian)頻(pin)方(fang)案電機矢量控(kong)制

整個系(xi)統(tong)為閉環(huan)控制，內(nei)環(huan)為電(dian)流控制環(huan)路，外(wai)環(huan)為速度控制環(huan)路，電(dian)機本體方程如下：

FOC算法實現介紹

FOC算法基(ji)于磁(ci)鏈觀(guan)測器(qi)

基于α-β坐(zuo)標系下的PMSM數學模(mo)型如(ru)下：

α-β坐標系下(xia)電(dian)感表示如(ru)下(xia)：

對于SPM，數學模型(xing)可以簡化(hua)為：

定義狀態變量：

狀態(tai)變量 y 實質(zhi)就是反(fan)電(dian)勢(shi)，對反(fan)電(dian)勢(shi)積分可以得(de)到磁(ci)鏈(lian)，那么對磁(ci)鏈(lian)的(de)狀態(tai)變量x微(wei)分則(ze)得(de)到反(fan)電(dian)勢(shi)。關系式如下：

為了構建非線(xian)性(xing)觀測器，定義(yi)矢(shi)量(liang)函數：

矢量函數的模實質就是磁鏈幅值(zhi)：

在對(dui)反電勢進行積分獲得磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)的過(guo)程中，最擔心的就是(shi)直流(liu)偏(pian)置或積分漂(piao)移，常用高通濾(lv)波器、自適(shi)應補償等方(fang)式(shi)來抑制這種負面因素(su)。非線性模塊的思路就是(shi)把估算的磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)的幅值與實(shi)際磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)幅值的差，作為估算的磁(ci)(ci)鏈(lian)(lian)分量的補償項。關系式(shi)如下:

完成狀態(tai)變量的(de)觀測(ce)器(qi)之后，就(jiu)得到了磁(ci)鏈分(fen)量，改寫如下：

通過觀測的(de)磁鏈分量(liang)就得到了觀測的(de)角度。

通(tong)過鎖相環(huan)就可以得到速度和角度。

同(tong)(tong)時本算法為克服傳統(tong)轉(zhuan)速環(huan)系統(tong)跟隨性差，動態響應場(chang)合差等(deng)問題，同(tong)(tong)時提(ti)出了自擾(rao)抗ADRC系統(tong)，如圖所(suo)示。

傳統(tong)轉(zhuan)速(su)環(huan)，在負載(zai)變化時或者調速(su)時過沖嚴重，轉(zhuan)速(su)跟隨(sui)(sui)性(xing)能差(cha)。ADRC系統(tong)轉(zhuan)速(su)跟隨(sui)(sui)性(xing)能好，在動態(tai)負載(zai)場合好用(yong)。

結語  

ACM32G103主頻高(gao)，支持浮點運(yun)算和DSP，內(nei)置(zhi)CORDIC，可(ke)(ke)以(yi)輕(qing)松實現上述(shu)的SVPWM產生器，Park/Clark變換，PI控(kong)制(zhi)器，以(yi)及轉子位(wei)置(zhi)觀(guan)測器。MCU內(nei)置(zhi)的高(gao)速12位(wei)逼近型(xing)ADC和多級中斷(duan)系統可(ke)(ke)以(yi)確保(bao)閉環控(kong)制(zhi)的實時性(xing)。

冰箱壓縮機變(bian)(bian)頻(pin)(pin)技(ji)(ji)術(shu)，能(neng)避(bi)免(mian)無謂的(de)能(neng)量消(xiao)耗，省(sheng)電節(jie)能(neng)；冰箱全(quan)天工作，采用變(bian)(bian)頻(pin)(pin)技(ji)(ji)術(shu)后，壓縮機始終(zhong)處在低(di)速運行(xing)狀(zhuang)態，可(ke)(ke)以(yi)徹底消(xiao)除因壓縮機啟(qi)動引起(qi)的(de)噪聲；變(bian)(bian)頻(pin)(pin)技(ji)(ji)術(shu)控溫精準(zhun)、溫度連續可(ke)(ke)調，變(bian)(bian)頻(pin)(pin)冰箱對食材的(de)保(bao)鮮效果更好(hao)。優勢(shi)突(tu)出，變(bian)(bian)頻(pin)(pin)冰箱市場(chang)普及率還遠未達到行(xing)業預期，這片市場(chang)大有可(ke)(ke)為。