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實(shí)現(xiàn)能效升級 | 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)帶動活塞對其進(jìn)行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為整個制冷循環(huán)提供源動力。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、電動機(jī)、缸體、活塞、控制設(shè)備 ( 啟動器和熱保護(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，還能保持溫度波動范圍較小，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，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16位高級定時器，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，采用磁鏈觀測器方式支持閉環(huán)全負(fù)載啟動。
變頻方案電機(jī)矢量控制
整個系統(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：
對于SPM，數(shù)學(xué)模型可以簡化為：
定義狀態(tài)變量：
狀態(tài)變量 y 實(shí)質(zhì)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(guān)系式如下：
為了構(gòu)建非線性觀測器，定義矢量函數(shù)：
矢量函數(shù)的模實(shí)質(zhì)就是磁鏈幅值：
在對反電勢進(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。關(guān)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(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)跟隨性差，動態(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)速環(huán)，在負(fù)載變化時或者調(diào)速時過沖嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速跟隨性能差。ADRC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟隨性能好，在動態(tài)負(fù)載場合好用。
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)子位置觀測器。MCU內(nèi)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(shí)時性。
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(yuǎn)未達(dá)到行業(yè)預(yù)期，這片市場大有可為。
