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        實現能效升級 | 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,為整個制冷循環提供源動力。這樣就實現了壓縮→冷凝→膨脹→蒸發 ( 吸熱 ) 的制冷循環。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 ) 及冷卻系統組成。




        與普通冰箱相比,變頻冰箱最顯著的優點是提高制冷效率、節約電力、節約能源。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等待執行


        ? SRAM:64KB,其中后8KB在STOP2低功耗模式下可保持數據


        ? 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全負載啟動。


        變頻方案電機矢量控制


        整個系統為閉環控制,內環為電流控制環路,外環為速度控制環路,電機本體方程如下:





        FOC算法實現介紹


        FOC算法基于磁鏈觀測器


        基于α-β坐標系下的PMSM數學模型如下:




        α-β坐標系下電感表示如下:




        對于SPM,數學模型可以簡化為:




        定義狀態變量:




        狀態變量 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:




        矢量函數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、自適應補償等方式來抑制這種負面因素。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。




        通過鎖相環就可以得到速度和角度。


        同時本算法為克服傳統轉速環系統跟隨性差,動態響應場合差等問題,同時提出了自擾抗ADRC系統,如圖所示。




        傳統轉速環,在負載變化時或者調速時過沖嚴重,轉速跟隨性能差。ADRC系統轉速跟隨性能好,在動態負載場合好用。


        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和多級中斷系統可以確保閉環控制的實時性。


        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,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、溫度連續可調,變頻冰箱對食材的保鮮效果更好。優勢突出,變頻冰箱市場普及率還遠未達到行業預期,這片市場大有可為。



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