數字信號處理器TMS320F241在變頻空調中的應用

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(shí)現全數字化調速。該系統充分利用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動(dòng)空調壓縮機，從而使其結構簡(jiǎn)單、運行性能好、噪聲低、可靠性強。實(shí)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(yōu)越性。

關(guān)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(chǎng)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節冷氣和曖氣。但因壓縮機轉速恒定和采用簡(jiǎn)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(diǎn)。因此我們采用DSP技術(shù)、交流永磁電動(dòng)機、空間磁場(chǎng)定向控制技術(shù)和空間矢量脈寬調制技術(shù)（SVPWM）等開(kāi)發(fā)出一個(gè)新的控制系統，與傳統空調的控制系統相比，它具運行性能好、效率更高、噪聲低、節能效果非常顯著(zhù)等特點(diǎn)。

在新的控制系統中，針對變頻空調設計的TMS320F241 DSP提供了一個(gè)可編程的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺，用戶(hù)可以基于這個(gè)平臺開(kāi)發(fā)出交流、直流和一拖多等系統，并進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)品的升級換代。而且，先進(jìn)的電機控制算法將幫助用戶(hù)解決變頻空調設計上的一些技術(shù)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(lèi)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(chǎng)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(hù)核心技術(shù)。本文提出基于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(jiǎn)單、性能價(jià)格比更高。

1 系統控制原理

控制系統采用空間磁場(chǎng)定向控制策略。為了實(shí)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(gè)分量：一個(gè)分量與電極磁動(dòng)勢重合，稱(chēng)為轉矩電流分量，即q軸電流分量；另一個(gè)分量與勵磁磁場(chǎng)重合，稱(chēng)為勵磁電流，即d軸電流分量。通過(guò)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(lái)實(shí)現對磁場(chǎng)和轉矩的解耦控制。這樣，就可將交流永磁電動(dòng)機模塊成他勵直流電動(dòng)機，從而獲得與直流電動(dòng)機同樣的調速性能。

SVPWM控制信號是DSP利用其內部硬件產(chǎn)生的數字化信號。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(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(xiàn)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(chǎng)。這樣，在一個(gè)周期內，逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就要超過(guò)六個(gè)，而有些開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì )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(gè)周期內第4和第6功率器件的開(kāi)斷時(shí)間。

當T4，T6不足時(shí)插入零矢量補足，一般為：

2 TMS320F241的結構特點(diǎn)

TMS320F241為美國TI公司推出的一種適用于電動(dòng)機控制DSP芯片。該芯片的執行速率很快，內部采用多總線(xiàn)的哈佛結構，流水作用，20MHz的內部時(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(zhuān)用硬件乘法器，可在一個(gè)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(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(yōu)點(diǎn)。

3 變頻空調控制系統的組成

整個(gè)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(huán)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(dòng)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(jīng)光耦隔離后接入智能功率模塊驅動(dòng)空調壓縮機。ip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(chǎn)品質(zhì)量提高、壽命延長(cháng)、故障率降低。

3.1 永磁空調壓縮機

系統采用永磁同步電動(dòng)機作為空調壓縮機的執行元件。電動(dòng)機由釹鐵硼（NdFeB）永磁材料是供恒定的勵磁磁場(chǎng)，使其體積減小、重量輕、發(fā)熱少，更加有利于壓縮機長(cháng)時(shí)間運行。它本身結構簡(jiǎn)單、沒(méi)有機械換向、無(wú)需多少維護、控制相對籠型電機比較簡(jiǎn)單、容易實(shí)現高性能的優(yōu)良控制。

3.2 速率檢測

控制系統執行元件采用永磁同步電動(dòng)機。當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(guò)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率和肇轉方向。

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(guò)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(shí)所得信號就可以通過(guò)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(dòng)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(jīng)驅動(dòng)電路和光耦隔離作為智能功率模塊的驅動(dòng)控制信號。PW10CSJ060是將六個(gè)IGBT及其驅動(dòng)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(dòng)電路同IGBT集成在一起，縮短了產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)周期，使可靠性進(jìn)一步提高；模塊內集成了電流傳感器，可以檢測過(guò)電流及短路電流；每個(gè)IGBT有獨立的保護電路，使模塊工作更可靠；非常小的開(kāi)關(guān)損耗和較高的頻率使逆變器達到靜音操作。死區時(shí)間可由模塊內的硬件電路產(chǎn)生，但用戶(hù)也可通過(guò)設置TMS320F241芯片提供的死區控制單元寄存器，由軟件產(chǎn)生。

保護電路用于主電路的過(guò)熱、過(guò)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)現了對空調壓縮機的驅動(dòng)保護。

4 軟件設計

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。然后進(jìn)入用戶(hù)模塊程序，循環(huán)等待當前的SVPWM下溢中斷發(fā)生，在等待時(shí)間與遙控接收器通訊，用戶(hù)可調整室內溫度設定值。當下溢中斷發(fā)生器，產(chǎn)生下一個(gè)SVPWM信號，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(kāi)始，Ia和Ib電流反饋信號經(jīng)ADC模塊變?yōu)閿祿浚?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" border="0" src="aet/200112/25j.gif" align="right" hspace="1" vspace="1" width="399" height="308">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，計算磁極位置、電機速度和旋轉方向；正交時(shí)，通過(guò)對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調節器。當電流環(huán)循環(huán)計數值變量nsp，與給定值nspr相等時(shí)，程序進(jìn)入速度調節環(huán)，在確定idr和iqr電流給定值后，再進(jìn)行電流調節[2]。

5 實(shí)驗

實(shí)驗采用交流永磁電動(dòng)機，額定轉矩：0.96Nm，額定速度：3000rpm，額定功率：300W,磁體材料：NdFeB。圖5為T(mén)MS320F241的六個(gè)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連續切換的SVPWM波形，從而實(shí)現對空調電機的變頻控制。

實(shí)驗證明，本系統由數字化實(shí)現的SVPWM可以降低功率器件的開(kāi)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芯片的全數字化變頻空調控制系統，充分利用了該芯片的超強實(shí)時(shí)計算能力和片內豐富的集成器件，使系統結構簡(jiǎn)單、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、可靠性強。因此，以該芯片組成的控制系統具有極廣闊的實(shí)際應用價(jià)值。