摘要：根據(jù)室外機雙永磁同步電機的無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、電機定子電流、功率因數(shù)校正電流的采樣策略和如何在單個MCU上實現(xiàn)控制的方法。針對整個系統(tǒng)控制的要求對MCU的PWM、ADC控制外設進行了優(yōu)化設計，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。
關鍵詞：數(shù)字功率因數(shù)校正；永磁同步電機；無速度傳感器；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》強制性國家標準的正式實施，對變頻空調(diào)整體性能的要求越來越高，低成本、低噪聲、高性能已成為變頻空調(diào)的發(fā)展趨勢。而作為變頻空調(diào)核心部件的壓縮機及其室外控制器是提升整機性能的關鍵。由于永磁同步電動機具有體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率密度高等優(yōu)點，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，因此被廣泛應用在壓縮機和風機中。
    傳統(tǒng)變頻空調(diào)的室外控制器由功率因數(shù)校正(PFC)、壓縮機驅(qū)動控制、風機驅(qū)動控制等電路構成。其中PFC驅(qū)動采用模擬的專用控制芯片，壓縮機與系統(tǒng)控制采用MCU來實現(xiàn)無傳感器矢量控制及系統(tǒng)控制，而室外風機采用有霍爾傳感器的驅(qū)動芯片或者專門的MCU來實現(xiàn)無傳感器的矢量控制。采用多個芯片實現(xiàn)室外機控制，增加了成本，同時降低了系統(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，針對PFC和電機驅(qū)動的要求優(yōu)化了室外機控制器的外設，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，實現(xiàn)了變頻空調(diào)的功率因數(shù)校正、壓縮機和風機的無位置傳感器矢量控制、冷媒控制等功能，同時分析了PWM產(chǎn)生，電流、電壓等信號的采樣方法，提高了室外機控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

1 變頻空調(diào)室外機驅(qū)動控制系統(tǒng)
    本文提出的應用于變頻空調(diào)室外機控制系統(tǒng)主要由一個具有功率因數(shù)校正的整流器、兩個三相逆變器以及其他控制電路組成，整個系統(tǒng)由定制的雙核MCU進行控制。其中兩個三相逆變器用于驅(qū)動壓縮機永磁同步電機及風機永磁同步電機，一個功率因數(shù)校正電路用于實現(xiàn)母線電壓的主動控制，其他控制電路用于控制冷媒、環(huán)境溫度和室內(nèi)機通信等。
1．1 壓縮機、風機驅(qū)動控制系統(tǒng)
    在家用變頻空調(diào)中，壓縮機永磁同步電機處于高溫、高壓、密封的環(huán)境中，必須采用無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)坐標系，如圖1所示。

    將假定坐標系下的電機方程式與旋轉(zhuǎn)坐標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，還需要對估算轉(zhuǎn)速進行濾波處理。
    依據(jù)上述位置估算算法建立無位置傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，如圖2所示。

    由于風機驅(qū)動電路與壓縮機類似，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)動控制系統(tǒng)
    家用變頻空調(diào)中全程功率因數(shù)校正技術大都采用模擬的專用控制芯片，成本高，應用范圍窄，同時也存在控制參數(shù)固定、適應范圍小的問題。本文在保證模擬方式全程功率因數(shù)校正技術優(yōu)點的同時，提出了專有的數(shù)字功率因數(shù)校正技術，其工作原理如圖3所示。

    數(shù)字PFC的控制目標是使圖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，同時又要保持輸出電壓V。穩(wěn)定到給定值Vref。
    因此構造如下控制方程組：
   
    其中Rs為變換器等效電阻，d為占空比，T為開關周期，um為控制電壓。通過對u1(t)和u2(t)進行比較——當u1(t)<u2(t)時開關導通，反之，開關關斷——就可以實現(xiàn)對母線電壓的主動控制。在數(shù)字實現(xiàn)過程中，經(jīng)過理論推導與實驗驗證得出如下數(shù)字實現(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，還必須通過電子膨脹閥動態(tài)的調(diào)節(jié)冷媒的大小，即冷媒控制。

2 驅(qū)動控制系統(tǒng)的PWM以及信號采樣
    采用單個MCU來控制PFC、兩個永磁同步電機以及其他控制需要13路PWM輸出和多達12個模擬信號采樣。其中PFC需要1個PWM輸出和2個模擬信號采樣，每個電機需要6路PWM輸出和3個模擬信號采樣，另外空調(diào)系統(tǒng)需要4個溫度采樣，而且PFC和電機控制需要實時采樣模擬信號，否則引起的延時會導致控制響應速度慢，降低動態(tài)性能。如何分配和管理這3個控制模塊的PWM輸出以及模擬信號采樣比較困難。
    針對變頻空調(diào)器的要求，對驅(qū)動控制系統(tǒng)的PWM設置如下：壓縮機電機驅(qū)動采用3個PWM模塊6個輸出通道，并設置為上升一下降計數(shù)方式，載波頻率為5 kHz(周期為200μs)；風機電機驅(qū)動也采用3個PWM模塊6個輸出通道，并設置為上升一下降計數(shù)方式，載波頻率為10kHz(周期為100μs)；PFC采用1個PWM模塊的1個輸出通道，并設置為上升計數(shù)方式，載波頻率為20 kHz(周期為50 μs)。
    同時針對變頻空調(diào)的信號采樣進行如下設置：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時性要求比較低，需要針對ADC模塊的采樣處理進行優(yōu)化設計。第一，允許每一個ADC通道有不同的觸發(fā)源；第二，可設置ADC通道的轉(zhuǎn)換優(yōu)先級。在功率因數(shù)校正中，變換器的電流采樣信號受開關噪聲的影響，在開關點上經(jīng)常會出現(xiàn)高頻振蕩，因此需要通過計算的開關信號占空比確定開關器件的導通時間和關斷時間，并根據(jù)導通時間和關斷時間計算出一個最佳的信號采樣點以進行信號采樣。在壓縮機、風機驅(qū)動系統(tǒng)的電流采樣中，由于三相電流對稱，因此只需分別同時采樣兩相電流，同時由于變頻空調(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)分別同時采樣不同的兩相電流，并由PWM計數(shù)器等于零來觸發(fā)采樣，如表1所列。

    為了滿足電機驅(qū)動和PFC控制的需要，還需保證有兩個ADC采樣保持電路，允許兩個信號同時采樣，并允許選擇不同的兩個通道同時采樣。

3 定制的雙核MCU
    針對變頻空調(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，其時鐘頻率高達60 MHz，并提供7個片上增強型PWM模塊，每個PWM提供2個PWM輸出通道，且每個模塊之間可以設置移相及同步。高速ADC模塊的轉(zhuǎn)換速度為4．6 Msps，即每個信號的采樣轉(zhuǎn)換只需要216 ns。以CPU為核心處理加專用控制加速器CLA的雙核結構，各自有獨立的總線，可以分別運行不同的控制程序，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，主要在以下幾個方面進行創(chuàng)新性設計：
    ①集成了雙10 MHz的片內(nèi)時鐘源，可以通過PLL倍頻至60 MHz作為系統(tǒng)時鐘，提供給CPU、CLA和其他外設。這兩個時鐘源可相互備份，當其中一個失效時，可迅速切換到另外一個，使控制器繼續(xù)正常運行。在降低成本的同時提高了系統(tǒng)的抗干擾性。另外在片內(nèi)集成了溫度傳感器檢測芯片內(nèi)部溫度，通過專用的算法來補償片內(nèi)時鐘源的溫度漂移，滿足了室內(nèi)機通信等外設對時鐘源輸出精度的要求。
    ②集成了3個響應時間為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斷或屏蔽PWM的輸出，從而可以實現(xiàn)電機、PFC的保護，提高了過流、過壓保護的實時性，減少了電機過流退磁的現(xiàn)象。
    ③集成了片內(nèi)電源電壓檢測電路以及預防控制代碼運行出錯的監(jiān)控模塊，進一步提高系統(tǒng)的安全性。

4 實驗結果
    圖4為基于雙核MCU的變頻空調(diào)室外機控制系統(tǒng)，對其進行了實驗驗證。

    變頻空調(diào)輸入電壓為220 V，母線電壓設定為350 V，壓縮機運行轉(zhuǎn)速為5 280 rpm，風機運行轉(zhuǎn)速為900 rpm，壓縮機、風機電機參數(shù)如表2所列。

    測試結果如圖5～圖7所示。

    由實驗結果可以看出，采用雙核MCU實現(xiàn)了變頻空調(diào)室外機的壓縮機、風機、功率因數(shù)校正等技術的集成控制。

結語
    通過分析永磁同步電機矢量控制與功率因數(shù)校正技術的原理，并針對新型變頻空調(diào)雙電機控制和數(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PWM、ADC等設計，實現(xiàn)了單芯片集成的解決方案，并成功應用到變頻空調(diào)中。由實驗結果可以看出，采用單芯片實現(xiàn)了壓縮機驅(qū)動、風機驅(qū)動、功率因數(shù)校正等各種技術的集成控制，在提高系統(tǒng)性能的同時，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用，獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。