摘 要: 提出了一種基于ti" title="ti">title="TMS320F241" title="TMS320F241">TMS320F241">TMS320F241數(shù)字信號(hào)處理器(DSP" title="DSP">DSP)的控制系統(tǒng),可使變頻空調(diào)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化調(diào)速。該系統(tǒng)充分利用DSP芯片具有的高性能處理能力以及先進(jìn)的控制技術(shù),并用智能功率模塊" title="智能功率模塊">智能功率模塊驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī),從而使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行性能好、噪聲低、可靠性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方案的可行性以及DSP應(yīng)用于變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞: 數(shù)字信號(hào)處理器 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(chǎng)的主要地位。它由室溫決定啟、停控制方式,利用籠型電機(jī)控制壓縮機(jī)調(diào)節(jié)冷氣和暖氣。但因壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定和采用簡(jiǎn)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(yùn)行效率不高等缺點(diǎn)。因此我們采用DSP技術(shù)、交流永磁電動(dòng)機(jī)、空間磁場(chǎng)定向控制技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)等開(kāi)發(fā)出一個(gè)新的控制系統(tǒng),與傳統(tǒng)空調(diào)的控制系統(tǒng)相比,它具有運(yùn)行性能好、效率更高、噪聲低、節(jié)能效果非常顯著等特點(diǎn)。
在新的控制系統(tǒng)中,針對(duì)變頻空調(diào)設(shè)計(jì)的TMS320F241 DSP提供了一個(gè)可編程的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái),用戶(hù)可以基于這個(gè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出交流、直流和一拖多等系統(tǒng),并進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品的升級(jí)換代。而且，先進(jìn)的電機(jī)控制算法將幫助用戶(hù)解決變頻空調(diào)設(shè)計(jì)上的一些技術(shù)瓶頸,如降低系統(tǒng)的能耗及噪聲。DSP具有高性能的運(yùn)算能力,適用于不同類(lèi)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(hù)用戶(hù)核心技術(shù)。本文提出的基于TMS320F241DSP的空調(diào)控制系統(tǒng),充分利用其面向電機(jī)控制的外設(shè),使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比更高。
1 系統(tǒng)控制原理
控制系統(tǒng)采用空間磁場(chǎng)定向控制策略。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制,在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中把定子電流矢量分解為兩個(gè)分量:一個(gè)分量與電樞磁動(dòng)勢(shì)重合,稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩電流分量,即q軸電流分量;另一個(gè)分量與勵(lì)磁磁場(chǎng)重合,稱(chēng)為勵(lì)磁電流分量,即d軸電流分量。通過(guò)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(lì)磁電流分量的相位和幅值大小,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。這樣,就可將交流永磁電動(dòng)機(jī)模擬成他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),從而獲得與直流電動(dòng)機(jī)同樣的調(diào)速性能。
SVPWM控制信號(hào)是DSP利用其內(nèi)部硬件產(chǎn)生的數(shù)字化信號(hào)。從逆變器的工作狀態(tài)看,功率器件共有八種方式導(dǎo)通,上橋臂器件導(dǎo)通用“1”表示,下橋臂器件導(dǎo)通用“0”表示。如圖1所示,六個(gè)有效矢量(V1～V6)和兩個(gè)位于原點(diǎn)的零矢量(V0&V7)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(gòu)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(chǎng)。這樣,在一個(gè)周期內(nèi),逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就要超過(guò)六個(gè),而有些開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì)多次重復(fù)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(gè)周期內(nèi)第4和第6功率器件的開(kāi)斷時(shí)間。
當(dāng)T4,T6不足時(shí)插入零矢量補(bǔ)足,一般為:
2 TMS320F241的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
TMS320F241為美國(guó)TI公司推出的一種適用于電動(dòng)機(jī)控制的DSP芯片。該芯片的執(zhí)行速度很快,內(nèi)部采用多總線的哈佛結(jié)構(gòu),流水作業(yè),在20MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率下,指令周期僅為50ns[1]。CPU具有32位中央算術(shù)邏輯單元和專(zhuān)用硬件乘法器,可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一條16位乘以16位的乘法運(yùn)算。存儲(chǔ)器有8K片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器。豐富的事件管理器包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器、五個(gè)比較器、三個(gè)捕獲單元,其中兩個(gè)捕獲單元有正交編碼器脈沖接口功能。還有八個(gè)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(shè)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(diǎn)。
3 變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的組成
整個(gè)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(jī)、以TMS320F241數(shù)字信號(hào)處理器為核心的系統(tǒng)板、定子電流檢測(cè)環(huán)節(jié)和智能功率模塊PM10CSJ060等構(gòu)成。系統(tǒng)板由TMS320F241、外部SRAM和控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(hào),經(jīng)光耦隔離后接入智能功率模塊驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。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(zhǎng)、故障率降低。
3.1 永磁空調(diào)壓縮機(jī)
系統(tǒng)采用永磁同步電動(dòng)機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的執(zhí)行元件。電動(dòng)機(jī)由釹鐵硼(NdFeB)永磁材料提供恒定的勵(lì)磁磁場(chǎng),使其體積減小、重量輕、發(fā)熱少,更加有利于壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。它本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒(méi)有機(jī)械換向、無(wú)需多少維護(hù)、控制相對(duì)籠型電機(jī)比較簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)高性能的優(yōu)良控制。
3.2 速度檢測(cè)
控制系統(tǒng)執(zhí)行元件采用永磁同步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)TMS320F241的正交解碼脈沖電路(QEP電路)被使能時(shí),引腳CAP1/QEP0和CAP2/QEP2接收光電編碼器產(chǎn)生正交脈沖信號(hào),通過(guò)對(duì)這兩路信號(hào)的每個(gè)沿(上升沿和下降沿)進(jìn)行邏輯檢測(cè)產(chǎn)生一個(gè)四倍頻信號(hào)和一個(gè)方向信號(hào)。四倍頻信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖,方向信號(hào)決定TMS320F241內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向,使計(jì)數(shù)器作連續(xù)遞增/遞減計(jì)數(shù)。這樣,從計(jì)數(shù)器的計(jì)算值及計(jì)數(shù)方向可得出電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)方向。
3.3 定子電流檢測(cè)
在本系統(tǒng)中,選用霍爾電流傳感器檢測(cè)定子電流中的A、B兩相電流,C相電流則通過(guò)計(jì)算獲得。圖3為A相定子電流檢測(cè)電路,傳感器輸出的電流反饋信號(hào)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(hào)。此時(shí)所得信號(hào)就可以通過(guò)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(hào)。
3.4 驅(qū)動(dòng)及保護(hù)
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(hào)SVPWM經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路和光耦隔離作為智能功率模塊的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。PM10CSJ060是將六個(gè)IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路集成在同一封裝的集成元件。高效率的驅(qū)動(dòng)電路同IGBT集成在一起,縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期,使可靠性進(jìn)一步提高;模塊內(nèi)集成了電流傳感器,可以檢測(cè)過(guò)電流及短路電流;每個(gè)IGBT有獨(dú)立的保護(hù)電路,使模塊工作更可靠;非常小的開(kāi)關(guān)損耗和較高的頻率使逆變器達(dá)到靜音操作。死區(qū)時(shí)間可由模塊內(nèi)的硬件電路產(chǎn)生,但用戶(hù)也可通過(guò)設(shè)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(hù)電路用于主電路的過(guò)熱、過(guò)載、短路、欠壓等故障保護(hù)。故障輸出信號(hào)經(jīng)光耦隔離,接入TMS320F241的保護(hù)端引腳PDPINT。芯片內(nèi)部邏輯電路發(fā)生故障時(shí),將SVPWM輸出信號(hào)進(jìn)行封鎖,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)。
4 軟件設(shè)計(jì)
空間磁場(chǎng)定向控制策略全部由TMS320F241軟件完成,軟件控制先進(jìn)行程序初始化、定義變量和常數(shù)。然后進(jìn)入用戶(hù)模塊程序,循環(huán)等待當(dāng)前的SVPWM下溢中斷發(fā)生,在等待時(shí)間與遙控接收器通訊,用戶(hù)可調(diào)整室內(nèi)溫度設(shè)定值。當(dāng)下溢中斷發(fā)生時(shí),產(chǎn)生下一個(gè)SVPWM信號(hào),空間磁場(chǎng)定向控制算法在SVPWM中斷服務(wù)子程序中完成,與SVPWM同周期。
圖4為SVPWM中斷服務(wù)子程序框圖。下溢中斷發(fā)生時(shí)正是下一個(gè)SVPWM周期的開(kāi)始,Ia和Ib電流反饋信號(hào)經(jīng)ADC模塊變?yōu)閿?shù)字量,判斷定子電流空間矢量是否與d軸正交。不正交時(shí),QEP電路處理編碼器脈沖,計(jì)算磁極位置、電機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)方向;正交時(shí),通過(guò)對(duì)磁極位置θ等變量賦值后,直接進(jìn)入電流矢量變換控制環(huán),即dq軸電流PI調(diào)節(jié)器。當(dāng)電流環(huán)循環(huán)計(jì)數(shù)值變量nsp與給定值nspr相等時(shí),程序進(jìn)入速度調(diào)節(jié)環(huán),在確定idr和iqr電流給定值后,再進(jìn)行電流調(diào)節(jié)[2]。
5 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用交流永磁電動(dòng)機(jī),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T(mén)MS320F241的六個(gè)PWM全比較器產(chǎn)生的SVPWM控制信號(hào)。圖6為電機(jī)中空間矢量扇區(qū)連續(xù)切換的SVPWM波形,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)電機(jī)的變頻控制。
實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)由數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的SVPWM可以降低功率器件的開(kāi)關(guān)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(qiáng)實(shí)時(shí)計(jì)算能力和片內(nèi)豐富的集成器件,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、可靠性強(qiáng)。因此,以該芯片組成的控制系統(tǒng)具有極廣闊的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
1 TMS320C/F241 Controllers，CPU，System，Instruction Set and Peripheral Reference Guide.U.S.：TI Company，
1997.10
2 常 駿,萬(wàn)淑云,楊 璐.逆變器空間向量對(duì)稱(chēng)PWM信號(hào)微機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)制方法. 電力電子技術(shù),1999(6)