摘要：根據(jù)室外機(jī)雙永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器矢量控制和數(shù)字功率因數(shù)校正控制的要求，提出母線電壓、電機(jī)定子電流、功率因數(shù)校正電流的采樣策略和如何在單個(gè)MCU上實(shí)現(xiàn)控制的方法。針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制的要求對(duì)MCU的PWM、ADC控制外設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，定制了一款采用通用控制處理單元加專用控制加速器的雙核MCU。
關(guān)鍵詞：數(shù)字功率因數(shù)校正；永磁同步電機(jī)；無(wú)速度傳感器；雙核MCU

引言
    隨著《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的正式實(shí)施，對(duì)變頻空調(diào)整體性能的要求越來(lái)越高，低成本、低噪聲、高性能已成為變頻空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)。而作為變頻空調(diào)核心部件的壓縮機(jī)及其室外控制器是提升整機(jī)性能的關(guān)鍵。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，且采用正弦波控制方式可提高力矩輸出的穩(wěn)定性和降低噪聲，因此被廣泛應(yīng)用在壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)中。
    傳統(tǒng)變頻空調(diào)的室外控制器由功率因數(shù)校正(PFC)、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制等電路構(gòu)成。其中PFC驅(qū)動(dòng)采用模擬的專用控制芯片，壓縮機(jī)與系統(tǒng)控制采用MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器矢量控制及系統(tǒng)控制，而室外風(fēng)機(jī)采用有霍爾傳感器的驅(qū)動(dòng)芯片或者專門的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的矢量控制。采用多個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)室外機(jī)控制，增加了成本，同時(shí)降低了系統(tǒng)的可靠性。
    本文根據(jù)變頻空調(diào)產(chǎn)品控制系統(tǒng)高性能和低成本的特點(diǎn)，針對(duì)PFC和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求優(yōu)化了室外機(jī)控制器的外設(shè)，定制了一款通用控制處理單元加專用控制加速器的雙核MCU，實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)的功率因數(shù)校正、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的無(wú)位置傳感器矢量控制、冷媒控制等功能，同時(shí)分析了PWM產(chǎn)生，電流、電壓等信號(hào)的采樣方法，提高了室外機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

1 變頻空調(diào)室外機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
    本文提出的應(yīng)用于變頻空調(diào)室外機(jī)控制系統(tǒng)主要由一個(gè)具有功率因數(shù)校正的整流器、兩個(gè)三相逆變器以及其他控制電路組成，整個(gè)系統(tǒng)由定制的雙核MCU進(jìn)行控制。其中兩個(gè)三相逆變器用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)及風(fēng)機(jī)永磁同步電機(jī)，一個(gè)功率因數(shù)校正電路用于實(shí)現(xiàn)母線電壓的主動(dòng)控制，其他控制電路用于控制冷媒、環(huán)境溫度和室內(nèi)機(jī)通信等。
1．1 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
    在家用變頻空調(diào)中，壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)處于高溫、高壓、密封的環(huán)境中，必須采用無(wú)位置傳感器矢量控制。其位置和轉(zhuǎn)速估算算法主要是基于假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖1所示。

    將假定坐標(biāo)系下的電機(jī)方程式與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程相減可得離散化的方程如下：
   
    由于采樣周期較短，誤差被放大，還需要對(duì)估算轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波處理。
    依據(jù)上述位置估算算法建立無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，如圖2所示。

    由于風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與壓縮機(jī)類似，為了節(jié)約芯片資源，也采用上述矢量控制系統(tǒng)。
1．2 數(shù)字功率因數(shù)校正驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
    家用變頻空調(diào)中全程功率因數(shù)校正技術(shù)大都采用模擬的專用控制芯片，成本高，應(yīng)用范圍窄，同時(shí)也存在控制參數(shù)固定、適應(yīng)范圍小的問(wèn)題。本文在保證模擬方式全程功率因數(shù)校正技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提出了專有的數(shù)字功率因數(shù)校正技術(shù)，其工作原理如圖3所示。

    數(shù)字PFC的控制目標(biāo)是使圖3中的變換器輸入電流ig跟隨變換器的輸入電壓ug的波形，同時(shí)又要保持輸出電壓V。穩(wěn)定到給定值Vref。
    因此構(gòu)造如下控制方程組：
   
    其中Rs為變換器等效電阻，d為占空比，T為開關(guān)周期，um為控制電壓。通過(guò)對(duì)u1(t)和u2(t)進(jìn)行比較——當(dāng)u1(t)<u2(t)時(shí)開關(guān)導(dǎo)通，反之，開關(guān)關(guān)斷——就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的主動(dòng)控制。在數(shù)字實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出如下數(shù)字實(shí)現(xiàn)方程：
   
1．3 其他控制系統(tǒng)
    變頻空調(diào)主要根據(jù)室內(nèi)需要的冷(熱)量的不同，連續(xù)地、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)制冷(熱)功率，即系統(tǒng)模式控制；為了提高能效，還必須通過(guò)電子膨脹閥動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)冷媒的大小，即冷媒控制。

2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的PWM以及信號(hào)采樣
    采用單個(gè)MCU來(lái)控制PFC、兩個(gè)永磁同步電機(jī)以及其他控制需要13路PWM輸出和多達(dá)12個(gè)模擬信號(hào)采樣。其中PFC需要1個(gè)PWM輸出和2個(gè)模擬信號(hào)采樣，每個(gè)電機(jī)需要6路PWM輸出和3個(gè)模擬信號(hào)采樣，另外空調(diào)系統(tǒng)需要4個(gè)溫度采樣，而且PFC和電機(jī)控制需要實(shí)時(shí)采樣模擬信號(hào)，否則引起的延時(shí)會(huì)導(dǎo)致控制響應(yīng)速度慢，降低動(dòng)態(tài)性能。如何分配和管理這3個(gè)控制模塊的PWM輸出以及模擬信號(hào)采樣比較困難。
    針對(duì)變頻空調(diào)器的要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的PWM設(shè)置如下：壓縮機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用3個(gè)PWM模塊6個(gè)輸出通道，并設(shè)置為上升一下降計(jì)數(shù)方式，載波頻率為5 kHz(周期為200μs)；風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也采用3個(gè)PWM模塊6個(gè)輸出通道，并設(shè)置為上升一下降計(jì)數(shù)方式，載波頻率為10kHz(周期為100μs)；PFC采用1個(gè)PWM模塊的1個(gè)輸出通道，并設(shè)置為上升計(jì)數(shù)方式，載波頻率為20 kHz(周期為50 μs)。
    同時(shí)針對(duì)變頻空調(diào)的信號(hào)采樣進(jìn)行如下設(shè)置：由于變頻空調(diào)系統(tǒng)的溫度采樣和內(nèi)部芯片溫度采樣的實(shí)時(shí)性要求比較低，需要針對(duì)ADC模塊的采樣處理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一，允許每一個(gè)ADC通道有不同的觸發(fā)源；第二，可設(shè)置ADC通道的轉(zhuǎn)換優(yōu)先級(jí)。在功率因數(shù)校正中，變換器的電流采樣信號(hào)受開關(guān)噪聲的影響，在開關(guān)點(diǎn)上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩，因此需要通過(guò)計(jì)算的開關(guān)信號(hào)占空比確定開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并根據(jù)導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間計(jì)算出一個(gè)最佳的信號(hào)采樣點(diǎn)以進(jìn)行信號(hào)采樣。在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流采樣中，由于三相電流對(duì)稱，因此只需分別同時(shí)采樣兩相電流，同時(shí)由于變頻空調(diào)中采用分流電阻器方式采樣，因此在空間電壓矢量PWM(SVPWM)方式中的不同扇區(qū)分別同時(shí)采樣不同的兩相電流，并由PWM計(jì)數(shù)器等于零來(lái)觸發(fā)采樣，如表1所列。

    為了滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)和PFC控制的需要，還需保證有兩個(gè)ADC采樣保持電路，允許兩個(gè)信號(hào)同時(shí)采樣，并允許選擇不同的兩個(gè)通道同時(shí)采樣。

3 定制的雙核MCU
    針對(duì)變頻空調(diào)室外單元控制的需求，專門定制了變頻空調(diào)專用的雙核MCU，其時(shí)鐘頻率高達(dá)60 MHz，并提供7個(gè)片上增強(qiáng)型PWM模塊，每個(gè)PWM提供2個(gè)PWM輸出通道，且每個(gè)模塊之間可以設(shè)置移相及同步。高速ADC模塊的轉(zhuǎn)換速度為4．6 Msps，即每個(gè)信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)換只需要216 ns。以CPU為核心處理加專用控制加速器CLA的雙核結(jié)構(gòu)，各自有獨(dú)立的總線，可以分別運(yùn)行不同的控制程序，從而提高系統(tǒng)的安全性。
    為了提高整個(gè)室外控制系統(tǒng)的集成度和降低元器件的數(shù)目，在芯片中集成了更多的片上模塊，主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)：
    ①集成了雙10 MHz的片內(nèi)時(shí)鐘源，可以通過(guò)PLL倍頻至60 MHz作為系統(tǒng)時(shí)鐘，提供給CPU、CLA和其他外設(shè)。這兩個(gè)時(shí)鐘源可相互備份，當(dāng)其中一個(gè)失效時(shí)，可迅速切換到另外一個(gè)，使控制器繼續(xù)正常運(yùn)行。在降低成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)的抗干擾性。另外在片內(nèi)集成了溫度傳感器檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度，通過(guò)專用的算法來(lái)補(bǔ)償片內(nèi)時(shí)鐘源的溫度漂移，滿足了室內(nèi)機(jī)通信等外設(shè)對(duì)時(shí)鐘源輸出精度的要求。
    ②集成了3個(gè)響應(yīng)時(shí)間為30 ns的模擬比較器和10位精度的片內(nèi)DAC，比較器的輸出可以直接關(guān)斷或屏蔽PWM的輸出，從而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)、PFC的保護(hù)，提高了過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)的實(shí)時(shí)性，減少了電機(jī)過(guò)流退磁的現(xiàn)象。
    ③集成了片內(nèi)電源電壓檢測(cè)電路以及預(yù)防控制代碼運(yùn)行出錯(cuò)的監(jiān)控模塊，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖4為基于雙核MCU的變頻空調(diào)室外機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    變頻空調(diào)輸入電壓為220 V，母線電壓設(shè)定為350 V，壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為5 280 rpm，風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為900 rpm，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)如表2所列。

    測(cè)試結(jié)果如圖5～圖7所示。

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用雙核MCU實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)室外機(jī)的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、功率因數(shù)校正等技術(shù)的集成控制。

結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)分析永磁同步電機(jī)矢量控制與功率因數(shù)校正技術(shù)的原理，并針對(duì)新型變頻空調(diào)雙電機(jī)控制和數(shù)字功率因數(shù)校正的需要，定制了專用的雙核MCU，并優(yōu)化片上外設(shè)PWM、ADC等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單芯片集成的解決方案，并成功應(yīng)用到變頻空調(diào)中。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用單芯片實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、功率因數(shù)校正等各種技術(shù)的集成控制，在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，增加了控制器的可靠性。本文所提出的基于雙核MCU的單芯片控制系統(tǒng)在格力公司的變頻空調(diào)產(chǎn)品中得到了推廣和應(yīng)用，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。