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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)。一般來說,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/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(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,主要電力來源自電源轉(zhuǎn)換,采用磁鏈觀測(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)建非線性觀測(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)确绞絹硪种七@種負(fù)面因素。非線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)變量的觀測(cè)器之后,就得到了磁鏈分量,改寫如下:




通過觀測(cè)的磁鏈分量就得到了觀測(cè)的角度。




通過鎖相環(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  


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。



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