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數字信號處理器TMS320F241在變頻空調中的應用

王成元李皓東夏加寬

摘要： 提出了一種基于TMS320F241數字信號處理器(DSP)的控制系統,可使變頻空調實現全數字化調速。該系統充分利用DSP芯片具有的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動空調壓縮機,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DSP應用于變頻空調控制系統的優越性。

關鍵詞： DSP 智能功率模塊 TMS320F241 TI

Abstract：

Key words :

　　摘要: 提出了一種基于ti" title="ti">title="TMS320F241" title="TMS320F241">TMS320F241">TMS320F241數字信號處理器(DSP" title="DSP">DSP)的控制系統,可使變頻空調實現全數字化調速。該系統充分利用DSP芯片具有的高性能處理能力以及先進的控制技術,并用智能功率模塊" title="智能功率模塊">智能功率模塊驅動空調壓縮機,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DSP應用于變頻空調控制系統的優越性。

　　關鍵詞: 數字信號處理器變頻空調智能功率模塊

　　目前,傳統空調器仍然占空調器市場的主要地位。它由室溫決定啟、停控制方式,利用籠型電機控制壓縮機調節冷氣和暖氣。但因壓縮機的轉速恒定和采用簡單的控制方式,因而使傳統空調器有溫度調節能力差、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制技術(SVPWM)等開發出一個新的控制系統,與傳統空調的控制系統相比,它具有運行性能好、效率更高、噪聲低、節能效果非常顯著等特點。

　　在新的控制系統中,針對變頻空調設計的TMS320F241 DSP提供了一個可編程的產品開發平臺,用戶可以基于這個平臺開發出交流、直流和一拖多等系統,并進一步進行產品的升級換代。而且，先進的電機控制算法將幫助用戶解決變頻空調設計上的一些技術瓶頸,如降低系統的能耗及噪聲。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,從而降低系統成本,大大縮短廠商研發周期。新一代DSP產品中,將提供保密功能,防止軟件被盜版,以保護用戶核心技術。本文提出的基于TMS320F241DSP的空調控制系統,充分利用其面向電機控制的外設,使控制系統結構更簡單、性能價格比更高。

1 系統控制原理

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

　　SVPWM控制信號是DSP利用其內部硬件產生的數字化信號。從逆變器的工作狀態看,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(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磁場。這樣,在一個周期內,逆變器的開關狀態就要超過六個,而有些開關狀態會多次重復出現,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的DSP芯片。該芯片的執行速度很快,內部采用多總線的哈佛結構,流水作業,在20MHz的內部時鐘頻率下,指令周期僅為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完成一條16位乘以16位的乘法運算。存儲器有8K片內閃爍存儲器。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/脈寬調制(PWM)通道、8通道10位模/數轉換器(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點。

3 變頻空調控制系統的組成

整個空調控制系統的框圖如圖2所示。該系統由永磁空調壓縮機、以TMS320F241數字信號處理器為核心的系統板、定子電流檢測環節和智能功率模塊PM10CSJ060等構成。系統板由TMS320F241、外部SRAM和控制信號驅動芯片等組成。系統的所有控制調節全部由TMS320F241控制器用軟件完成,可直接輸出SVPWM信號,經光耦隔離后接入智能功率模塊驅動空調壓縮機。由于系統采用永磁材料和大規模集成電路等電子元器件,不但節省能源和原材料,而且使產品質量提高、壽命延長、故障率降低。

3.1 永磁空調壓縮機

　　系統采用永磁同步電動機作為空調壓縮機的執行元件。電動機由釹鐵硼(NdFeB)永磁材料提供恒定的勵磁磁場,使其體積減小、重量輕、發熱少,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、容易實現高性能的優良控制。

3.2 速度檢測

　　控制系統執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)進行邏輯檢測產生一個四倍頻信號和一個方向信號。四倍頻信號作為計數脈沖,方向信號決定TMS320F241內部計數器的計數方向,使計數器作連續遞增/遞減計數。這樣,從計數器的計算值及計數方向可得出電機的速度和旋轉方向。

3.3 定子電流檢測

　　在本系統中,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25Ω電阻取壓,再經電壓跟隨器后與2.5V模擬偏移量求和,變為0～5V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轉換模塊,從而獲得定子電流反饋信號。

3.4 驅動及保護

　　在空調控制系統的主電路中,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經驅動電路和光耦隔離作為智能功率模塊的驅動控制信號。PM10CSJ060是將六個IGBT及其驅動電路和保護電路集成在同一封裝的集成元件。高效率的驅動電路同IGBT集成在一起,縮短了產品的設計開發周期,使可靠性進一步提高;模塊內集成了電流傳感器,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。死區時間可由模塊內的硬件電路產生,但用戶也可通過設置TMS320F241芯片提供的死區控制單元寄存器,由軟件產生。

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

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、定義變量和常數。然后進入用戶模塊程序,循環等待當前的SVPWM下溢中斷發生,在等待時間與遙控接收器通訊,用戶可調整室內溫度設定值。當下溢中斷發生時,產生下一個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。下溢中斷發生時正是下一個SVPWM周期的開始,I_a和I_b電流反饋信號經ADC模塊變為數字量,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、電機速度和旋轉方向;正交時,通過對磁極位置θ等變量賦值后,直接進入電流矢量變換控制環,即d_q軸電流PI調節器。當電流環循環計數值變量n_sp與給定值n_spr相等時,程序進入速度調節環,在確定i_dr和i_qr電流給定值后,再進行電流調節^[2]。