數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F241在變頻空調(diào)中的應(yīng)用

摘要：提出了一種基于TMS320F241數(shù)字信號(hào)處理器（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(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(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)品開發(fā)平臺(tái)，用戶可以基于這個(gè)平臺(tái)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(jí)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(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)分量與電極磁動(dòng)勢(shì)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(lì)磁磁場(chǎng)重合，稱為勵(lì)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(lì)磁電流分量的相位和幅值大小，來實(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)模塊成他勵(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（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(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)，逆變器的開關(guān)狀態(tài)就要超過六個(gè)，而有些開關(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(dòng)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(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)。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(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）永磁材料是供恒定的勵(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)長時(shí)間運(yùn)行。它本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有機(jī)械換向、無需多少維護(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 速率檢測(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)的速率和肇轉(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)。PW10CSJ060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(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、定義變量常數(shù)。然后進(jìn)入用戶模塊程序，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，用戶可調(diào)整室內(nèi)溫度設(shè)定值。當(dāng)下溢中斷發(fā)生器，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周期的開始，Ia和Ib電流反饋信號(hào)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(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)，通過對(duì)磁極位置等變量賦值后，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TMS320F241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。