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實(shí)現(xiàn)能效升級(jí) | 基于ACM32 MCU的冰箱壓縮機(jī)變頻方案
概述
冰箱制冷系統(tǒng)中最重要的部件是壓縮機(jī),。它從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，通過(guò)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)活塞對(duì)其進(jìn)行壓縮后,，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體,，為整個(gè)制冷循環(huán)提供源動(dòng)力。這樣就實(shí)現(xiàn)了壓縮→冷凝→膨脹→蒸發(fā) ( 吸熱 ) 的制冷循環(huán),。一般來(lái)說(shuō),，壓縮機(jī)由殼體、電動(dòng)機(jī),、缸體,、活塞、控制設(shè)備 ( 啟動(dòng)器和熱保護(hù)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(diǎn)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(shí),，還能保持溫度波動(dòng)范圍較小,，從而達(dá)到較好的冷藏保濕效果。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制,，壓縮機(jī)無(wú)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(jī)變頻方案,。
ACM32G103系列芯片規(guī)格介紹
? 采用M33內(nèi)核,，主頻最高可達(dá)120MHz
? eFlash：320KB，加密存儲(chǔ),，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?jǐn)?shù)據(jù)
? 2路12bits ADC,，共19個(gè)外部通道，最高速率達(dá)3Msps,，支持同步模式,、加速采樣、差分采樣以及AUTO等功能
? 2個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器，支持PWM輸出/(6路)互補(bǔ)輸出/死去插入/剎車(chē)/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(lèi)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(jī)變頻方案
注：ACM32G103系列支持OPA內(nèi)部連接COMP和ADC
航芯冰箱壓縮機(jī)變頻方案以ACM32G103為主控，主要電力來(lái)源自電源轉(zhuǎn)換,，采用磁鏈觀(guān)測(cè)器方式支持閉環(huán)全負(fù)載啟動(dòng),。
變頻方案電機(jī)矢量控制
整個(gè)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)路,，外環(huán)為速度控制環(huán)路,，電機(jī)本體方程如下：
FOC算法實(shí)現(xiàn)介紹
FOC算法基于磁鏈觀(guān)測(cè)器
基于α-β坐標(biāo)系下的PMSM數(shù)學(xué)模型如下：
α-β坐標(biāo)系下電感表示如下：
對(duì)于SPM，數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為：
定義狀態(tài)變量：
狀態(tài)變量 y 實(shí)質(zhì)就是反電勢(shì),，對(duì)反電勢(shì)積分可以得到磁鏈,，那么對(duì)磁鏈的狀態(tài)變量x微分則得到反電勢(shì)。關(guān)系式如下：
為了構(gòu)建非線(xiàn)性觀(guān)測(cè)器,，定義矢量函數(shù)：
矢量函數(shù)的模實(shí)質(zhì)就是磁鏈幅值：
在對(duì)反電勢(shì)進(jìn)行積分獲得磁鏈的過(guò)程中,，最擔(dān)心的就是直流偏置或積分漂移，常用高通濾波器,、自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)确绞絹?lái)抑制這種負(fù)面因素。非線(xiàn)性模塊的思路就是把估算的磁鏈的幅值與實(shí)際磁鏈幅值的差,，作為估算的磁鏈分量的補(bǔ)償項(xiàng),。關(guān)系式如下:
完成狀態(tài)變量的觀(guān)測(cè)器之后，就得到了磁鏈分量,，改寫(xiě)如下：
通過(guò)觀(guān)測(cè)的磁鏈分量就得到了觀(guān)測(cè)的角度,。
通過(guò)鎖相環(huán)就可以得到速度和角度。
同時(shí)本算法為克服傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)跟隨性差,，動(dòng)態(tài)響應(yīng)場(chǎng)合差等問(wèn)題,，同時(shí)提出了自擾抗ADRC系統(tǒng)，如圖所示,。
傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán),，在負(fù)載變化時(shí)或者調(diào)速時(shí)過(guò)沖嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速跟隨性能差,。ADRC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟隨性能好,，在動(dòng)態(tài)負(fù)載場(chǎng)合好用。
結(jié)語(yǔ)
ACM32G103主頻高,，支持浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP,，內(nèi)置CORDIC，可以輕松實(shí)現(xiàn)上述的SVPWM產(chǎn)生器,，Park/Clark變換,，PI控制器,，以及轉(zhuǎn)子位置觀(guān)測(cè)器。MCU內(nèi)置的高速12位逼近型ADC和多級(jí)中斷系統(tǒng)可以確保閉環(huán)控制的實(shí)時(shí)性,。
冰箱壓縮機(jī)變頻技術(shù),，能避免無(wú)謂的能量消耗，省電節(jié)能,；冰箱全天工作,，采用變頻技術(shù)后，壓縮機(jī)始終處在低速運(yùn)行狀態(tài),，可以徹底消除因壓縮機(jī)啟動(dòng)引起的噪聲,；變頻技術(shù)控溫精準(zhǔn)、溫度連續(xù)可調(diào),，變頻冰箱對(duì)食材的保鮮效果更好,。優(yōu)勢(shì)突出，變頻冰箱市場(chǎng)普及率還遠(yuǎn)未達(dá)到行業(yè)預(yù)期,，這片市場(chǎng)大有可為,。
