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实现能效升级 | 基于ACM32 MCU的冰箱压缩机变频方案


概述


冰箱制冷系统中最重要的部件是压缩机。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为整个制冷循环提供源动力。这样就实现了压缩→冷凝→膨胀→蒸发 ( 吸热 ) 的制冷循环。一般来说，压缩机由壳体、电动机、缸体、活塞、控制设备 ( 启动器和热保护器 ) 及冷却系统组成。




与普通冰箱相比，变频冰箱最显著的优点是提高制冷效率、节约电力、节约能源。另外，在能快速冷却的同时，还能保持温度波动范围较小，从而达到较好的冷藏保湿效果。压缩机转速的精准控制，压缩机无需频繁启停，噪音更小更安静。本文讨论了基于上海航芯ACM32G103的冰箱压缩机变频方案。


ACM32G103系列芯片规格介绍


• 采用M33内核，主频最高可达120MHz


• eFlash：320KB，加密存储，4KB I-Cache，4KB D-Cache，支持Flash加速0等待执行


• SRAM：64KB，其中后8KB在STOP2低功耗模式下可保持数据


• 2路12bits ADC，共19个外部通道，最高速率达3Msps，支持同步模式、加速采样、差分采样以及AUTO等功能


• 2个16位高级定时器，支持PWM输出/(6路)互补输出/死去插入/刹车/编码模式


• 通信接口丰富：4路UART、1路LPUART、3路SPI、2路I2C、2路I2S、2路CAN


• 封装类型丰富：QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100


• ESD：4KV(HBM)


• 工作温度：-40°C~85°C


冰箱压缩机变频方案




注：ACM32G103系列支持OPA内部连接COMP和ADC


航芯冰箱压缩机变频方案以ACM32G103为主控，主要电力来源自电源转换，采用磁链观测器方式支持闭环全负载启动。


变频方案电机矢量控制


整个系统为闭环控制，内环为电流控制环路，外环为速度控制环路，电机本体方程如下：





FOC算法实现介绍


FOC算法基于磁链观测器


基于α-β坐标系下的PMSM数学模型如下：




α-β坐标系下电感表示如下：




对于SPM，数学模型可以简化为：




定义状态变量：




状态变量 y 实质就是反电势，对反电势积分可以得到磁链，那么对磁链的状态变量x微分则得到反电势。关系式如下：




为了构建非线性观测器，定义矢量函数：




矢量函数的模实质就是磁链幅值：




在对反电势进行积分获得磁链的过程中，最担心的就是直流偏置或积分漂移，常用高通滤波器、自适应补偿等方式来抑制这种负面因素。非线性模块的思路就是把估算的磁链的幅值与实际磁链幅值的差，作为估算的磁链分量的补偿项。关系式如下:




完成状态变量的观测器之后，就得到了磁链分量，改写如下：




通过观测的磁链分量就得到了观测的角度。




通过锁相环就可以得到速度和角度。


同时本算法为克服传统转速环系统跟随性差，动态响应场合差等问题，同时提出了自扰抗ADRC系统，如图所示。




传统转速环，在负载变化时或者调速时过冲严重，转速跟随性能差。ADRC系统转速跟随性能好，在动态负载场合好用。


结语  


ACM32G103主频高，支持浮点运算和DSP，内置CORDIC，可以轻松实现上述的SVPWM产生器，Park/Clark变换，PI控制器，以及转子位置观测器。MCU内置的高速12位逼近型ADC和多级中断系统可以确保闭环控制的实时性。


冰箱压缩机变频技术，能避免无谓的能量消耗，省电节能；冰箱全天工作，采用变频技术后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机启动引起的噪声；变频技术控温精准、温度连续可调，变频冰箱对食材的保鲜效果更好。优势突出，变频冰箱市场普及率还远未达到行业预期，这片市场大有可为。