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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(huán)提供源動力。這樣就實現了壓縮→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(yōu)點是提高制冷效率、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(guī)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(zhí)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(huán)全負載啟動。
變頻方案電機矢量控制
整個系統為閉環(huán)控制，內環(huán)為電流控制環(huán)路，外環(huán)為速度控制環(huán)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(tài)變量：
狀態(tài)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(tài)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(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轉速環(huán)系統跟隨性差，動態(tài)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(huán)，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(tài)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(huán)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(jié)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(tài)，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(xù)可調，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未達到行業(yè)預期，這片市場大有可為。
