概述

冰箱制冷系統中最重要的部件是壓縮機。它從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，通過電機運轉帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為整個制冷循環提供源動力。這樣就實現了壓縮→冷凝→膨脹→蒸發 ( 吸熱 ) 的制冷循環。一般來說，壓縮機由殼體、電動機、缸體、活塞、控制設備 ( 啟動器和熱保護器 ) 及冷卻系統組成。

與普通冰箱相比，變頻冰箱最顯著的優點是提高制冷效率、節約電力、節約能源。另外，在能快速冷卻的同時，還能保持溫度波動范圍較小，從而達到較好的冷藏保濕效果。壓縮機轉速的精準控制，壓縮機無需頻繁啟停，噪音更小更安靜。本文討論了基于上海航芯ACM32G103的冰箱壓縮機變頻方案。

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ACM32G103系列芯片規格介紹

? 采用M33內核，主頻最高可達120MHz

? eFlash：320KB，加密存儲，4KB I-Cache，4KB D-Cache，支持Flash加速0等待執行

? SRAM：64KB，其中后8KB在STOP2低功耗模式下可保持數據

? 2路12bits ADC，共19個外部通道，最高速率達3Msps，支持同步模式、加速采樣、差分采樣以及AUTO等功能

? 2個16位高級定時器，支持PWM輸出/(6路)互補輸出/死去插入/剎車/編碼模式

? 通信接口豐富：4路UART、1路LPUART、3路SPI、2路I2C、2路I2S、2路CAN

? 封裝類型豐富：

QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100

? ESD：4KV(HBM)

? 工作溫度：-40°C~85°C

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冰箱壓縮機變頻方案

注：ACM32G103系列支持OPA內部連接COMP和ADC

航芯冰箱壓縮機變頻方案以ACM32G103為主控，主要電力來源自電源轉換，采用磁鏈觀測器方式支持閉環全負載啟動。

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變頻方案電機矢量控制

整個系統為閉環控制，內環為電流控制環路，外環為速度控制環路，電機本體方程如下：

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FOC算法實現介紹

FOC算法基于磁鏈觀測器

基于α-β坐標系下的PMSM數學模型如下：

α-β坐標系下電感表示如下：

對于SPM，數學模型可以簡化為：

定義狀態變量：

狀態變量 y 實質就是反電勢，對反電勢積分可以得到磁鏈，那么對磁鏈的狀態變量x微分則得到反電勢。關系式如下：

為了構建非線性觀測器，定義矢量函數：

矢量函數的模實質就是磁鏈幅值：

在對反電勢進行積分獲得磁鏈的過程中，最擔心的就是直流偏置或積分漂移，常用高通濾波器、自適應補償等方式來抑制這種負面因素。非線性模塊的思路就是把估算的磁鏈的幅值與實際磁鏈幅值的差，作為估算的磁鏈分量的補償項。關系式如下:

完成狀態變量的觀測器之后，就得到了磁鏈分量，改寫如下：

通過觀測的磁鏈分量就得到了觀測的角度。

通過鎖相環就可以得到速度和角度。

同時本算法為克服傳統轉速環系統跟隨性差，動態響應場合差等問題，同時提出了自擾抗ADRC系統，如圖所示。

傳統轉速環，在負載變化時或者調速時過沖嚴重，轉速跟隨性能差。ADRC系統轉速跟隨性能好，在動態負載場合好用。

結 語

ACM32G103主頻高，支持浮點運算和DSP，內置CORDIC，可以輕松實現上述的SVPWM產生器，Park/Clark變換，PI控制器，以及轉子位置觀測器。MCU內置的高速12位逼近型ADC和多級中斷系統可以確保閉環控制的實時性。

冰箱壓縮機變頻技術，能避免無謂的能量消耗，省電節能；冰箱全天工作，采用變頻技術后，壓縮機始終處在低速運行狀態，可以徹底消除因壓縮機啟動引起的噪聲；變頻技術控溫精準、溫度連續可調，變頻冰箱對食材的保鮮效果更好。優勢突出，變頻冰箱市場普及率還遠未達到行業預期，這片市場大有可為。