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實現(xiàn)能效升級 | 基于ACM32 MCU的冰箱壓縮機變頻方案
概述
冰箱制冷系統(tǒng)中最重要的部件是壓縮機,。它從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體,，通過電機運轉帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體,，為整個制冷循環(huán)提供源動力,。這樣就實現(xiàn)了壓縮→冷凝→膨脹→蒸發(fā) ( 吸熱 ) 的制冷循環(huán)。一般來說,，壓縮機由殼體,、電動機、缸體,、活塞,、控制設備 ( 啟動器和熱保護器 ) 及冷卻系統(tǒng)組成。
與普通冰箱相比,，變頻冰箱最顯著的優(yōu)點是提高制冷效率,、節(jié)約電力、節(jié)約能源,。另外,，在能快速冷卻的同時，還能保持溫度波動范圍較小,，從而達到較好的冷藏保濕效果,。壓縮機轉速的精準控制，壓縮機無需頻繁啟停,，噪音更小更安靜,。本文討論了基于上海航芯ACM32G103的冰箱壓縮機變頻方案。
ACM32G103系列芯片規(guī)格介紹
? 采用M33內核,，主頻最高可達120MHz
? eFlash：320KB,，加密存儲，4KB I-Cache,，4KB D-Cache,，支持Flash加速0等待執(zhí)行
? SRAM：64KB，其中后8KB在STOP2低功耗模式下可保持數(shù)據(jù)
? 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,、差分采樣以及AUTO等功能
? 2個16位高級定時器，支持PWM輸出/(6路)互補輸出/死去插入/剎車/編碼模式
? 通信接口豐富：4路UART,、1路LPUART,、3路SPI,、2路I2C、2路I2S,、2路CAN
? 封裝類型豐富：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100
? ESD：4KV(HBM)
? 工作溫度：-40°C~85°C
冰箱壓縮機變頻方案
注：ACM32G103系列支持OPA內部連接COMP和ADC
航芯冰箱壓縮機變頻方案以ACM32G103為主控,，主要電力來源自電源轉換，采用磁鏈觀測器方式支持閉環(huán)全負載啟動,。
變頻方案電機矢量控制
整個系統(tǒng)為閉環(huán)控制,，內環(huán)為電流控制環(huán)路，外環(huán)為速度控制環(huán)路,，電機本體方程如下：
FOC算法實現(xiàn)介紹
FOC算法基于磁鏈觀測器
基于α-β坐標系下的PMSM數(shù)學模型如下：
α-β坐標系下電感表示如下：
對于SPM,，數(shù)學模型可以簡化為：
定義狀態(tài)變量：
狀態(tài)變量 y 實質就是反電勢，對反電勢積分可以得到磁鏈,，那么對磁鏈的狀態(tài)變量x微分則得到反電勢,。關系式如下：
為了構建非線性觀測器，定義矢量函數(shù)：
矢量函數(shù)的模實質就是磁鏈幅值：
在對反電勢進行積分獲得磁鏈的過程中,，最擔心的就是直流偏置或積分漂移,，常用高通濾波器、自適應補償?shù)确绞絹硪种七@種負面因素,。非線性模塊的思路就是把估算的磁鏈的幅值與實際磁鏈幅值的差,，作為估算的磁鏈分量的補償項。關系式如下:
完成狀態(tài)變量的觀測器之后,，就得到了磁鏈分量,，改寫如下：
通過觀測的磁鏈分量就得到了觀測的角度。
通過鎖相環(huán)就可以得到速度和角度,。
同時本算法為克服傳統(tǒng)轉速環(huán)系統(tǒng)跟隨性差,，動態(tài)響應場合差等問題，同時提出了自擾抗ADRC系統(tǒng),，如圖所示,。
傳統(tǒng)轉速環(huán)，在負載變化時或者調速時過沖嚴重,，轉速跟隨性能差,。ADRC系統(tǒng)轉速跟隨性能好，在動態(tài)負載場合好用,。
結語
ACM32G103主頻高,，支持浮點運算和DSP，內置CORDIC,，可以輕松實現(xiàn)上述的SVPWM產生器,，Park/Clark變換，PI控制器,，以及轉子位置觀測器,。MCU內置的高速12位逼近型ADC和多級中斷系統(tǒng)可以確保閉環(huán)控制的實時性,。
冰箱壓縮機變頻技術，能避免無謂的能量消耗,，省電節(jié)能；冰箱全天工作,，采用變頻技術后,，壓縮機始終處在低速運行狀態(tài)，可以徹底消除因壓縮機啟動引起的噪聲,；變頻技術控溫精準,、溫度連續(xù)可調，變頻冰箱對食材的保鮮效果更好,。優(yōu)勢突出,，變頻冰箱市場普及率還遠未達到行業(yè)預期，這片市場大有可為,。
