TMS320F241在變頻空調(diào)中的應(yīng)用

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(jī)電控制壓縮機(jī)調(diào)節(jié)冷氣和曖氣。但因壓縮機(jī)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(yùn)行效率不高等缺點(diǎn)。因此我們采用DSP技術(shù)、交流永磁電動機(jī)、空間磁場定向控制技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）等開發(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)品開發(fā)平臺，用戶可以基于這個(gè)平臺開發(fā)出交流、直流和一拖多等系統(tǒng)，并進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品的升級換代。而且，先進(jìn)的電機(jī)控制算法將幫助用戶解決變頻空調(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)用戶核心技術(shù)。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(jī)控制的外設(shè)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單、性能價(jià)格比更高。
　　1 系統(tǒng)控制原理
　　控制系統(tǒng)采用空間磁場定向控制策略。為了實(shí)現(xiàn)對電磁轉(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(gè)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(shí)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(jī)模塊成他勵直流電動機(jī)，從而獲得與直流電動機(jī)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(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。這樣，在一個(gè)周期內(nèi)，逆變器的開關(guān)狀態(tài)就要超過六個(gè)，而有些開關(guān)狀態(tài)會多次重復(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。
　　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TI公司推出的一種適用于電動機(jī)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(jié)構(gòu)，流水作用，20MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率下，指令周期僅50ns［1］。CPU具有32位中央算術(shù)邏輯單元和專用硬件乘法器，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。存儲器有8K片內(nèi)閃爍存儲器。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。該系統(tǒng)由永磁空調(diào)壓縮機(jī)、以TMS320F241數(shù)字信號處理器為核心的系統(tǒng)板、定子電流檢測環(huán)節(jié)和智能功率模塊PM10CSJ060等構(gòu)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(jī)。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(jī)
　　系統(tǒng)采用永磁同步電動機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)的執(zhí)行元件。電動機(jī)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(jī)長時(shí)間運(yùn)行。它本身結(jié)構(gòu)簡單、沒有機(jī)械換向、無需多少維護(hù)、控制相對籠型電機(jī)比較簡單、容易實(shí)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(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，通過對這兩路信號的每個(gè)沿（上升沿和下降沿）進(jìn)行邏輯檢測產(chǎn)生一個(gè)四倍頻信號和一個(gè)方向信號。四倍頻信號作為計(jì)數(shù)脈沖，方向信號決定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(jì)算獲得。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(shí)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(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(gè)IGBT及其驅(qū)動電路和保護(hù)電路集成在同一封裝的集成元件。高效率的驅(qū)動電路同IGBT集成在一起，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(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，可以檢測過電流及短路電流；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，但用戶也可通過設(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熱、過載、短路、欠壓等故障保護(hù)。故障輸出信號經(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輸出信號進(jìn)行封鎖，從而實(shí)現(xiàn)了對空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動保護(hù)。