变频空调室外机驱动控制系统设计

摘要：根据室外机双永磁同步电机的无传感器矢量控制和数字功率因数校正控制的要求，提出母线电压、电机定子电流、功率因数校正电流的采样策略和如何在单个MCU上实现控制的方法。针对整个系统控制的要求对MCU的PWM、ADC控制外设进行了优化设计，定制了一款采用通用控制处理单元加专用控制加速器的双核MCU。
关键词：数字功率因数校正；永磁同步电机；无速度传感器；双核MCU

引言
    随着《房间空气调节器能效限定值及能效等级》强制性国家标准的正式实施，对变频空调整体性能的要求越来越高，低成本、低噪声、高性能已成为变频空调的发展趋势。而作为变频空调核心部件的压缩机及其室外控制器是提升整机性能的关键。由于永磁同步电动机具有体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率密度高等优点，且采用正弦波控制方式可提高力矩输出的稳定性和降低噪声，因此被广泛应用在压缩机和风机中。
    传统变频空调的室外控制器由功率因数校正(PFC)、压缩机驱动控制、风机驱动控制等电路构成。其中PFC驱动采用模拟的专用控制芯片，压缩机与系统控制采用MCU来实现无传感器矢量控制及系统控制，而室外风机采用有霍尔传感器的驱动芯片或者专门的MCU来实现无传感器的矢量控制。采用多个芯片实现室外机控制，增加了成本，同时降低了系统的可靠性。
    本文根据变频空调产品控制系统高性能和低成本的特点，针对PFC和电机驱动的要求优化了室外机控制器的外设，定制了一款通用控制处理单元加专用控制加速器的双核MCU，实现了变频空调的功率因数校正、压缩机和风机的无位置传感器矢量控制、冷媒控制等功能，同时分析了PWM产生，电流、电压等信号的采样方法，提高了室外机控制系统的可靠性、稳定性。

1 变频空调室外机驱动控制系统
    本文提出的应用于变频空调室外机控制系统主要由一个具有功率因数校正的整流器、两个三相逆变器以及其他控制电路组成，整个系统由定制的双核MCU进行控制。其中两个三相逆变器用于驱动压缩机永磁同步电机及风机永磁同步电机，一个功率因数校正电路用于实现母线电压的主动控制，其他控制电路用于控制冷媒、环境温度和室内机通信等。
1．1 压缩机、风机驱动控制系统
    在家用变频空调中，压缩机永磁同步电机处于高温、高压、密封的环境中，必须采用无位置传感器矢量控制。其位置和转速估算算法主要是基于假定旋转坐标系，如图1所示。

    将假定坐标系下的电机方程式与旋转坐标系下的电压方程相减可得离散化的方程如下：
   
    由于采样周期较短，误差被放大，还需要对估算转速进行滤波处理。
    依据上述位置估算算法建立无位置传感器永磁同步电机矢量控制系统，如图2所示。

    由于风机驱动电路与压缩机类似，为了节约芯片资源，也采用上述矢量控制系统。
1．2 数字功率因数校正驱动控制系统
    家用变频空调中全程功率因数校正技术大都采用模拟的专用控制芯片，成本高，应用范围窄，同时也存在控制参数固定、适应范围小的问题。本文在保证模拟方式全程功率因数校正技术优点的同时，提出了专有的数字功率因数校正技术，其工作原理如图3所示。

    数字PFC的控制目标是使图3中的变换器输入电流ig跟随变换器的输入电压ug的波形，同时又要保持输出电压V。稳定到给定值Vref。
    因此构造如下控制方程组：
   
    其中Rs为变换器等效电阻，d为占空比，T为开关周期，um为控制电压。通过对u1(t)和u2(t)进行比较——当u1(t)<u2(t)时开关导通，反之，开关关断——就可以实现对母线电压的主动控制。在数字实现过程中，经过理论推导与实验验证得出如下数字实现方程：
   
1．3 其他控制系统
    变频空调主要根据室内需要的冷(热)量的不同，连续地、动态地调节制冷(热)功率，即系统模式控制；为了提高能效，还必须通过电子膨胀阀动态的调节冷媒的大小，即冷媒控制。

2 驱动控制系统的PWM以及信号采样
    采用单个MCU来控制PFC、两个永磁同步电机以及其他控制需要13路PWM输出和多达12个模拟信号采样。其中PFC需要1个PWM输出和2个模拟信号采样，每个电机需要6路PWM输出和3个模拟信号采样，另外空调系统需要4个温度采样，而且PFC和电机控制需要实时采样模拟信号，否则引起的延时会导致控制响应速度慢，降低动态性能。如何分配和管理这3个控制模块的PWM输出以及模拟信号采样比较困难。
    针对变频空调器的要求，对驱动控制系统的PWM设置如下：压缩机电机驱动采用3个PWM模块6个输出通道，并设置为上升一下降计数方式，载波频率为5 kHz(周期为200μs)；风机电机驱动也采用3个PWM模块6个输出通道，并设置为上升一下降计数方式，载波频率为10kHz(周期为100μs)；PFC采用1个PWM模块的1个输出通道，并设置为上升计数方式，载波频率为20 kHz(周期为50 μs)。
    同时针对变频空调的信号采样进行如下设置：由于变频空调系统的温度采样和内部芯片温度采样的实时性要求比较低，需要针对ADC模块的采样处理进行优化设计。第一，允许每一个ADC通道有不同的触发源；第二，可设置ADC通道的转换优先级。在功率因数校正中，变换器的电流采样信号受开关噪声的影响，在开关点上经常会出现高频振荡，因此需要通过计算的开关信号占空比确定开关器件的导通时间和关断时间，并根据导通时间和关断时间计算出一个最佳的信号采样点以进行信号采样。在压缩机、风机驱动系统的电流采样中，由于三相电流对称，因此只需分别同时采样两相电流，同时由于变频空调中采用分流电阻器方式采样，因此在空间电压矢量PWM(SVPWM)方式中的不同扇区分别同时采样不同的两相电流，并由PWM计数器等于零来触发采样，如表1所列。

    为了满足电机驱动和PFC控制的需要，还需保证有两个ADC采样保持电路，允许两个信号同时采样，并允许选择不同的两个通道同时采样。

3 定制的双核MCU
    针对变频空调室外单元控制的需求，专门定制了变频空调专用的双核MCU，其时钟频率高达60 MHz，并提供7个片上增强型PWM模块，每个PWM提供2个PWM输出通道，且每个模块之间可以设置移相及同步。高速ADC模块的转换速度为4．6 Msps，即每个信号的采样转换只需要216 ns。以CPU为核心处理加专用控制加速器CLA的双核结构，各自有独立的总线，可以分别运行不同的控制程序，从而提高系统的安全性。
    为了提高整个室外控制系统的集成度和降低元器件的数目，在芯片中集成了更多的片上模块，主要在以下几个方面进行创新性设计：
    ①集成了双10 MHz的片内时钟源，可以通过PLL倍频至60 MHz作为系统时钟，提供给CPU、CLA和其他外设。这两个时钟源可相互备份，当其中一个失效时，可迅速切换到另外一个，使控制器继续正常运行。在降低成本的同时提高了系统的抗干扰性。另外在片内集成了温度传感器检测芯片内部温度，通过专用的算法来补偿片内时钟源的温度漂移，满足了室内机通信等外设对时钟源输出精度的要求。
    ②集成了3个响应时间为30 ns的模拟比较器和10位精度的片内DAC，比较器的输出可以直接关断或屏蔽PWM的输出，从而可以实现电机、PFC的保护，提高了过流、过压保护的实时性，减少了电机过流退磁的现象。
    ③集成了片内电源电压检测电路以及预防控制代码运行出错的监控模块，进一步提高系统的安全性。

4 实验结果
    图4为基于双核MCU的变频空调室外机控制系统，对其进行了实验验证。

    变频空调输入电压为220 V，母线电压设定为350 V，压缩机运行转速为5 280 rpm，风机运行转速为900 rpm，压缩机、风机电机参数如表2所列。

    测试结果如图5～图7所示。

    由实验结果可以看出，采用双核MCU实现了变频空调室外机的压缩机、风机、功率因数校正等技术的集成控制。

结语
    通过分析永磁同步电机矢量控制与功率因数校正技术的原理，并针对新型变频空调双电机控制和数字功率因数校正的需要，定制了专用的双核MCU，并优化片上外设PWM、ADC等设计，实现了单芯片集成的解决方案，并成功应用到变频空调中。由实验结果可以看出，采用单芯片实现了压缩机驱动、风机驱动、功率因数校正等各种技术的集成控制，在提高系统性能的同时，增加了控制器的可靠性。本文所提出的基于双核MCU的单芯片控制系统在格力公司的变频空调产品中得到了推广和应用，获得了显著的经济效益和社会效益。