數(shù)字信號處理器TMS320F241在變頻空調(diào)中的應用

摘要：提出了一種基于TMS320F241數(shù)字信號處理器（DSP）的控制系統(tǒng)，可使變頻空調(diào)實現(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的控制技術，并用智能功率模塊驅(qū)動空調(diào)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(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

關鍵詞：數(shù)字信號處理器 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)器市場的主要地位。它由室溫決定啟、?？刂品绞?，利用籠型機電控制壓縮機調(diào)節(jié)冷氣和曖氣。但因壓縮機轉(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(diào)制技術（SVPWM）等開發(fā)出一個新的控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)空調(diào)的控制系統(tǒng)相比，它具運行性能好、效率更高、噪聲低、節(jié)能效果非常顯著等特點。

在新的控制系統(tǒng)中，針對變頻空調(diào)設計的TMS320F241 DSP提供了一個可編程的產(chǎn)品開發(fā)平臺，用戶可以基于這個平臺開發(fā)出交流、直流和一拖多等系統(tǒng)，并進一步進行產(chǎn)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(diào)設計上的一些技術瓶頸，如降低系統(tǒng)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(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，以保護用戶核心技術。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控制的外設，使控制系統(tǒng)結構更簡單、性能價格比更高。

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。為了實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中把定子電流矢量分解為兩個分量：一個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模塊成他勵直流電動機，從而獲得與直流電動機同樣的調(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（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，在一個周期內(nèi)，逆變器的開關狀態(tài)就要超過六個，而有些開關狀態(tài)會多次重復出現(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為一個周期內(nèi)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構，流水作用，20MHz的內(nèi)部時鐘頻率下，指令周期僅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(nèi)完成一條16位乘以16位的乘法運算。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(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。

3 變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的組成

整個空調(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、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。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

系統(tǒng)采用永磁同步電動機作為空調(diào)壓縮機的執(zhí)行元件。電動機由釹鐵硼（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(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。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(chǎn)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(chǎn)生一個四倍頻信號和一個方向信號。四倍頻信號作為計數(shù)脈沖，方向信號決定TMS320F241內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)方向，使計數(shù)器作連續(xù)遞增/遞減計數(shù)。這樣，從計數(shù)器的計算值及計數(shù)方向可得出電機的速率和肇轉(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(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

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IGBT及其驅(qū)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(qū)動電路同IGBT集成在一起，縮短了產(chǎn)品的設計開發(fā)周期，使可靠性進一步提高；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(qū)時間可由模塊內(nèi)的硬件電路產(chǎn)生，但用戶也可通過設置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(jīng)光耦隔離，接入TMS320F241的保護端引腳PDPINT。芯片內(nèi)部邏輯電路發(fā)生故障時，將SVPWM輸出信號進行封鎖，從而實現(xiàn)了對空調(diào)壓縮機的驅(qū)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、定義變量常數(shù)。然后進入用戶模塊程序，循環(huán)等待當前的SVPWM下溢中斷發(fā)生，在等待時間與遙控接收器通訊，用戶可調(diào)整室內(nèi)溫度設定值。當下溢中斷發(fā)生器，產(chǎn)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(fā)生時正是下一個SVPWM周期的開始，Ia和Ib電流反饋信號經(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，QEP電路處理編碼器脈沖，計算磁極位置、電機速度和旋轉(zhuǎn)方向；正交時，通過對磁極位置等變量賦值后，直接進入電流矢量變換控制環(huán)，即dq軸電流PI調(diào)節(jié)器。當電流環(huán)循環(huán)計數(shù)值變量nsp，與給定值nspr相等時，程序進入速度調(diào)節(jié)環(huán)，在確定idr和iqr電流給定值后，再進行電流調(diào)節(jié)[2]。

5 實驗

實驗采用交流永磁電動機，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PWM全比較器產(chǎn)生的SVPWM控制信號。圖6為電機中空間矢量扇區(qū)連續(xù)切換的SVPWM波形，從而實現(xiàn)對空調(diào)電機的變頻控制。

實驗證明，本系統(tǒng)由數(shù)字化實現(xiàn)的SVPWM可以降低功率器件的開關損耗，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實時計算能力和片內(nèi)豐富的集成器件，使系統(tǒng)結構簡單、產(chǎn)品開發(fā)周期短、可靠性強。因此，以該芯片組成的控制系統(tǒng)具有極廣闊的實際應用價值。