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數(shù)字信號處理器TMS320F241在變頻空調(diào)中的應用

作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡 收藏

摘要:提出了一種基于TMS320F241器()的控制系統(tǒng),可使變頻空調(diào)實現(xiàn)全數(shù)字化調(diào)速。該系統(tǒng)充分利用芯片具有高性能處理能力以及先進的控制技術,并用智能功率模塊驅(qū)動空調(diào)壓縮機,從而使其結構簡單、運行性能好、噪聲低、可靠性強。實驗結果表明了該方案的可行性以及應用于變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/242392.htm

關鍵詞:器 變頻空調(diào) 智能功率模塊

目前,傳統(tǒng)空調(diào)器仍然占空調(diào)器市場的主要地位。它由室溫決定啟、??刂品绞?,利用籠型機電控制壓縮機調(diào)節(jié)冷氣和曖氣。但因壓縮機轉(zhuǎn)速恒定和采用簡單的控制方式,因而使傳統(tǒng)空調(diào)器有溫度調(diào)節(jié)能力差、運行效率不高等缺點。因此我們采用DSP技術、交流永磁電動機、空間磁場定向控制技術和空間矢量脈寬調(diào)制技術(SVPWM)等開發(fā)出一個新的控制系統(tǒng),與傳統(tǒng)空調(diào)的控制系統(tǒng)相比,它具運行性能好、效率更高、噪聲低、節(jié)能效果非常顯著等特點。

在新的控制系統(tǒng)中,針對變頻空調(diào)設計的TMS320F241 DSP提供了一個可編程的產(chǎn)品開發(fā)平臺,用戶可以基于這個平臺開發(fā)出交流、直流和一拖多等系統(tǒng),并進一步進行產(chǎn)品的升級換代。而且,先進的電機控制算法將幫助用戶解決變頻空調(diào)設計上的一些技術瓶頸,如降低系統(tǒng)的能耗及噪聲。DSP具有高性能的運算能力,適用于不同類型的數(shù)字控制裝置,可以取代以往昂貴的傳感器和外部元件,從而降低系統(tǒng)成本,大大縮短廠商研發(fā)周期。新一代DSP產(chǎn)品中,將提供保密功能,防止軟件被盜版,以保護用戶核心技術。本文提出基于TMS320F241DSP的空調(diào)控制系統(tǒng),充分利用其面向電機控制的外設,使控制系統(tǒng)結構更簡單、性能價格比更高。

1 系統(tǒng)控制原理

控制系統(tǒng)采用空間磁場定向控制策略。為了實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制,在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中把定子電流矢量分解為兩個分量:一個分量與電極磁動勢重合,稱為轉(zhuǎn)矩電流分量,即q軸電流分量;另一個分量與勵磁磁場重合,稱為勵磁電流,即d軸電流分量。通過控制定子電流空間矢量的相位和幅值大小,也就是控制轉(zhuǎn)矩電流分量和勵磁電流分量的相位和幅值大小,來實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。這樣,就可將交流永磁電動機模塊成他勵直流電動機,從而獲得與直流電動機同樣的調(diào)速性能。

SVPWM控制信號是DSP利用其內(nèi)部硬件產(chǎn)生的數(shù)字化信號。從逆變器的工作狀態(tài)看,功率器件共有八種方式導通,上橋臂器件導通用“1”表示,下橋臂器件導通用“0”表示。如圖1所示,六個有效矢量(V1~V6)和兩個位于原點的零矢量(V0V7)組成了基本電壓空間矢量。利用它們的線性組合,可以獲得更多與基本電壓矢量相位不同的新的更多的電壓空間矢量,最終構成一組等幅不同相的電壓空間矢量,從而形成盡可能逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。這樣,在一個周期內(nèi),逆變器的開關狀態(tài)就要超過六個,而有些開關狀態(tài)會多次重復出現(xiàn),所以逆變器的輸出電壓是一系列等幅不等寬的脈沖波。這就形成了電壓空間矢量控制的PWM逆變器。

例如,在圖1第3扇區(qū)中,依平行四邊形法則可得:

由電壓空間矢量定義式可解得:

式中,T4,T6為一個周期內(nèi)第4和第6功率器件的開斷時間。

當T4,T6不足時插入零矢量補足,一般為:

2 TMS320F241的結構特點

TMS320F241為美國TI公司推出的一種適用于電動機控制DSP芯片。該芯片的執(zhí)行速率很快,內(nèi)部采用多總線的哈佛結構,流水作用,20MHz的內(nèi)部時鐘頻率下,指令周期僅50ns[1]。CPU具有32位中央算術邏輯單元和專用硬件乘法器,可在一個指令周期內(nèi)完成一條16位乘以16位的乘法運算。存儲器有8K片內(nèi)閃爍存儲器。豐富的事件管理器包括兩個16位通用定時器、五個比較器、三個捕獲單元,其中兩個捕獲單元有正交編碼器脈沖接口功能。還有八個比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道、8通道10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、串行通訊接口(SCI)和串行外部設備接口(SPI)等。它與TMS320F240相比,具有體積小、功能齊備、可利用較少的資源完成控制方案等優(yōu)點。

3 變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的組成

整個空調(diào)控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示。該系統(tǒng)由永磁空調(diào)壓縮機、以TMS320F241器為核心的系統(tǒng)板、定子電流檢測環(huán)節(jié)和智能功率模塊PM10CSJ060等構成。系統(tǒng)板由TMS320F241、外部SRAM和控制信號驅(qū)動芯片等組成。系統(tǒng)的所有控制調(diào)節(jié)全部由TMS320F241控制器用軟件完成,可直接輸出SVPWM信號,經(jīng)光耦隔離后接入智能功率模塊驅(qū)動空調(diào)壓縮機。ip由于系統(tǒng)采用永磁材料和大規(guī)模集成電路等電子元器件,不但節(jié)省能源和原材料,而且使產(chǎn)品質(zhì)量提高、壽命延長、故障率降低。

3.1 永磁空調(diào)壓縮機

系統(tǒng)采用永磁同步電動機作為空調(diào)壓縮機的執(zhí)行元件。電動機由釹鐵硼(NdFeB)永磁材料是供恒定的勵磁磁場,使其體積減小、重量輕、發(fā)熱少,更加有利于壓縮機長時間運行。它本身結構簡單、沒有機械換向、無需多少維護、控制相對籠型電機比較簡單、容易實現(xiàn)高性能的優(yōu)良控制。

3.2 速率檢測

控制系統(tǒng)執(zhí)行元件采用永磁同步電動機。當TMS320F241的正交解碼脈沖電路(QEP電路)被使能時,引腳CAP1/QEP0和CAP2/QEP2接收光電編碼器產(chǎn)生正交脈沖信號,通過對這兩路信號的每個沿(上升沿和下降沿)進行邏輯檢測產(chǎn)生一個四倍頻信號和一個方向信號。四倍頻信號作為計數(shù)脈沖,方向信號決定TMS320F241內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)方向,使計數(shù)器作連續(xù)遞增/遞減計數(shù)。這樣,從計數(shù)器的計算值及計數(shù)方向可得出電機的速率和肇轉(zhuǎn)方向。

3.3 定子電流檢測

在本系統(tǒng)中,選用霍爾電流傳感器檢測定子電流中的A、B兩相電流,C相電流則通過計算獲得。圖3為A相定子電流檢測電路,傳感器輸出的電流反饋信號經(jīng)25Ω電阻取壓,再經(jīng)電壓跟隨器后與2.5V模擬偏移量求和,變?yōu)?~5V范圍的信號。此時所得信號就可以通過引腳ADCIN6和ADCIN3,送到集成在TMS320F241上的A/D轉(zhuǎn)換模塊,從而獲得定子電流反饋信號。

3.4 驅(qū)動及保護

在空調(diào)控制系統(tǒng)的主電路中,采用三菱公司的第三代智能功率模塊PM10CSJ060作為逆變器,TMS320F241輸出的六路空間矢量信號SVPWM經(jīng)驅(qū)動電路和光耦隔離作為智能功率模塊的驅(qū)動控制信號。PW10CSJ060是將六個IGBT及其驅(qū)動電路和保護電路集成在同一封裝的集成元件。高效率的驅(qū)動電路同IGBT集成在一起,縮短了產(chǎn)品的設計開發(fā)周期,使可靠性進一步提高;模塊內(nèi)集成了電流傳感器,可以檢測過電流及短路電流;每個IGBT有獨立的保護電路,使模塊工作更可靠;非常小的開關損耗和較高的頻率使逆變器達到靜音操作。死區(qū)時間可由模塊內(nèi)的硬件電路產(chǎn)生,但用戶也可通過設置TMS320F241芯片提供的死區(qū)控制單元寄存器,由軟件產(chǎn)生。

保護電路用于主電路的過熱、過載、短路、欠壓等故障保護。故障輸出信號經(jīng)光耦隔離,接入TMS320F241的保護端引腳PDPINT。芯片內(nèi)部邏輯電路發(fā)生故障時,將SVPWM輸出信號進行封鎖,從而實現(xiàn)了對空調(diào)壓縮機的驅(qū)動保護。

4 軟件設計

空間磁場定向控制策略全部由TMS320F241軟件完成,軟件控制先進行程序初始化、定義變量常數(shù)。然后進入用戶模塊程序,循環(huán)等待當前的SVPWM下溢中斷發(fā)生,在等待時間與遙控接收器通訊,用戶可調(diào)整室內(nèi)溫度設定值。當下溢中斷發(fā)生器,產(chǎn)生下一個SVPWM信號,空間磁場定向控制算法在SVPWM中斷服務子程序中完成,與SVPWM同周期。

圖4為SVPWM中斷服務子程序框圖。下溢中斷發(fā)生時正是下一個SVPWM周期的開始,Ia和Ib電流反饋信號經(jīng)ADC模塊變?yōu)閿?shù)據(jù)量,判斷定子電流空間矢量是否與d軸正交。不正交時,QEP電路處理編碼器脈沖,計算磁極位置、電機速度和旋轉(zhuǎn)方向;正交時,通過對磁極位置等變量賦值后,直接進入電流矢量變換控制環(huán),即dq軸電流PI調(diào)節(jié)器。當電流環(huán)循環(huán)計數(shù)值變量nsp,與給定值nspr相等時,程序進入速度調(diào)節(jié)環(huán),在確定idr和iqr電流給定值后,再進行電流調(diào)節(jié)[2]。

5 實驗

實驗采用交流永磁電動機,額定轉(zhuǎn)矩:0.96Nm,額定速度:3000rpm,額定功率:300W,磁體材料:NdFeB。圖5為TMS320F241的六個PWM全比較器產(chǎn)生的SVPWM控制信號。圖6為電機中空間矢量扇區(qū)連續(xù)切換的SVPWM波形,從而實現(xiàn)對空調(diào)電機的變頻控制。

實驗證明,本系統(tǒng)由數(shù)字化實現(xiàn)的SVPWM可以降低功率器件的開關損耗,提高電壓的利用率,并且使TMS320F241自身固有硬件電路能更加有效地發(fā)揮作用。

基于TMS320F241芯片的全數(shù)字化變頻空調(diào)控制系統(tǒng),充分利用了該芯片的超強實時計算能力和片內(nèi)豐富的集成器件,使系統(tǒng)結構簡單、產(chǎn)品開發(fā)周期短、可靠性強。因此,以該芯片組成的控制系統(tǒng)具有極廣闊的實際應用價值。



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