dsPIC30F4011 直流变转速空调应用推广书 (1)

                                    dsPIC30F4011 直流变转速空调应用推广书 (1)

 

1、概述 
  1.1项目背景
    变频（转速）空调是定频空调的更新换代产品。变频（转速）空调可以在超过额定频率（转速）的情况下运行；在短时间内充分发挥压缩机的最大效能，输出超出额定的制冷或制热量，以达到高效、快速调节温度的效果。相对于交流变频空调，直流变转速空调具有效率及可靠性更高、损耗及噪声更低等优点。直流无刷压缩机在家用变转速空调中有着不可估量的发展前景。

    dsPIC30F4011是Microchip dsPIC系列高端单片机产品中的一员。该器件是一个16位的MCU，内嵌有DSP引擎，速度可达30MIPS。该DSP核由一个17x17的乘法器，两个40bits的累加器以及其他DSP支持电路构成，可支持需要复杂计算的实时应用。

    dsPIC30F4011内部有48K字节FLASH程序空间，2K字节数据空间以及1K字节的片上EEPROM。该器件提供十分丰富的在片外设。除了高速的10bitADC，长达32bits的定时器，多种串行接口等其他常规MCU在片外设以外，该器件还提供有专用于马达驱动的PWM接口，PWM分辨率可达到14bit，并有专用的故障保护信号接口。 

    dsPIC系列产品秉承了Microchip单片机一贯的抗干扰性能强，工作电压范围宽等特点。以上特点使得dsPIC30F4011非常
适合马达的高档应用。

  1.2方案特点
    该设计本着家用分体式空调器室外机系统解决方案的原则，充分考虑到当前室外机功能及外设的需求，备有丰富的外设接口及相应的驱动配置，基本可满足当前室外机中可能有所应用的外设。

    从灵活性上讲，可通过简单的配置（跳线开关）来适应同一种类不同类型的外设。压缩机采用目前市场上比较常见的梯形波直流无刷压缩机，通过高速ADC直接检测反电动势过零点。相比传统的比较器式反电动势过零点检测法，具有成本低，电路结构简单，可靠性高，损耗小等优点。

    从电机驱动的角度来说，它是一个电机驱动控制开发平台。可以用作单相交流，3相交流感应电机，步进电机，霍尔传感器直流无刷电机，直流无刷无传感器电机等电机的控制开发平台。同时具有丰富的硬件保护功能。

    软硬件皆采用模块化设计，便于后期维护及二次开发。完整的开发、调试、评估环境，缩短产品开发时间。

  1.3 功能描述: 

    最小负载:5 KW/2.2KW(500-900/RPM) 

    温度传感器 4通道 

    电子4通阀：1路 

    4速的交流风扇：1路 

    DC风扇接口：1路 

    霍尔传感器无刷无传感器电机：1路 

    无传感器无刷直流电机：1路 

    串行口：3路

 
2、直流无刷无传感器电机控制原理

    直流电机的工作原理不是本笔记讲述的重点，阅者可以查阅相关书籍。

  2.1直流电机的演变

    直流有刷电机： 直流有刷电机（以下简称BDC电机）是依据电刷从机械上来确定换相点，并依靠电刷进行换相。

    直流无刷电机： 直流无刷电机（以下简称BLDC电机）是在直流有刷电机的基础上发展而来的。一般来讲，它采用非接触式的电磁、光电位置传感器替代了机械电刷。减少了直流有刷电机换向时所带来的噪声、火花、无线电干扰等缺点，同时延长了电机的使用寿命。

BLDC电机控制原理框图如下：


          图2-1-1：BLDC电机控制原理框图

直流无刷无传感器电机
    顾名思义，BLDC无传感器电机就是省略了位置传感器的BLDC电机。电气特性与传统的BLDC电机相同，差别在于：出于某些考虑，省略了位置传感器。为了保证换相的正确与换相点的准确，必须要有其它方法来判断转子的位置。这正是本笔记所要着重讲述的。

    BLDC无传感器电机的意义在于：减小了电机的体积；消除了因传感器信号被干扰而引起的误操作；可以在高温、低温污浊空气等不允许使用位置传感器的恶劣环境中工作；减少了电机的生产及维护成本。

基于反电动势过零检测的BLDC无传感器电机控制原理框图如下： 


 

图2-1-2：电动势过零检测的BLDC无传感器电机控制原理框图

    直流无刷无传感器电机与直流无刷有传感器的控制的差别仅在于反电动过零检测替代了转子位置检测器。

    视具体应用，反电动过零检测实现的方法有：硬件，软件，硬件+软件。

    另外，相对于带位置传感器的直流无刷电机控制，无传感器直流无刷电机控制系统对控制器的要求比较高。

  2.2直流无刷无传感器电机控制

    本笔记假设读者已经熟悉了带有位置传感器的BLDC 的工作原理，因此不再详细阐述。

本设计所采用的反电动势检测电路如下：


                            图2-2-1反电动势检测电路 

    在电机运转过程中，对应未通电线圈（绕组）的端电压为（以 a 相为例）：

上式即为反电动势过零检测方程。

其中 = 
以下简称半电压。

在反电动势为零时， ，也就是未通电绕组的端电压为半电压点。

反电动势示意图如下：

 


                       图2-2-2反电动势 

    如 不考虑电压偏置，上图中的 点即为反电动势过零点，其中 x=1，2，3，4，5，6。对于特定相而言，以 a 相为例，（x=3，6）所处的60°扇区即为反电动势过零检测区域。图2-2-2的横坐标所对应的电压为半电压： 。

由图2-2-2可以看出：

  反电动势过零点超前于实际换相点30°。 
  一个电周期内,任一相反电动势有两次过零 
  检测反电动势过零点等效于检测实际换相点(霍尔位置传感器) 
  反电动势检测可以简化为反电动势过零检测 
  这里再次重申：反电动势过零检测只是针对未通电线圈（绕组）。

    应该指出，本笔记中所有论述以及应用软件均假定使用三相梯形波电机，星型接法。120°导通角，每60°换相。

    本文的目标阅读对象为具有一定硬件/软件设计应用经验的工程师。为突出重点，减少篇幅，假定阅读对象了解文中所涉及的一些特定用语及某些基本概念。

    最后指出，本应用笔记只是介绍直流变转速空调室外电控件的一种解决方案，本质上来讲是一种工程应用；其中所涉及的一些基本原理及背景知识不是本笔记介绍的重点。

    如有必要，阅者可查阅相关资料。

    在附录A所列出的参考书籍中，已基本涵盖相关的基本原理及背景知识介绍。 

3、空调外机硬件设计 

  3.1特别安全提醒：

  本设计无电气隔离回路，使用与操作过程中应特别注意。 
  交流供电必须要有隔离措施（隔离电源、变压器等） 
  哪怕你是一位经验丰富的电子/电气工程师，为确保安全，在目标板上电与操作之前，建议你仔细阅读以下安全注意事项。如有任何疑问，请与供应商联系。 
  在任何时候，此系统必须可靠接地。 
  欲对目标板进行安装、操作、维护、更改的人员必须同时满足以下两个条件： 
  有资质的、具有相当电气安全知识。 
  已仔细阅读过目标板操作指南（另件）。 
  目标板上所有的接线端子及元器件皆不提供电气隔离安全保证，板上任何部分与地之间皆有可能存在几百伏的压差。 
  在通电的情况下，请不要触及板上的任何部位。

  目标板断电后，请耐心等待1分钟后，再对目标板进行操作。 
  电机外壳必须可靠接地。 
  如需外接仪器、仪表，务请遵循目标板操作指南。 
  目标板电源进线处无保险丝保护功能，使用中应引起注意。 
  此板应在实验室环境下进行操作。 

  3.2硬件规格

 硬件规格参数：

  供电电压：AC 180-260V，50HZ 
  供电电流： 10A（有效值） 
  额定功率：1.5KW （2匹） 
  温度传感器：4路 
  四通阀：1路 
  电子膨胀阀（四相）：1路 
  交流风机（四速）：1路 
  直流风机：1路 
  霍尔传感器BLDC电机（BLDC电机霍尔传感器输入）：1路 
  BLDC无传感器电机：1路 
  单相/3相电机：1 
  在线调试编程接口：1 
  通讯（UART）接口：2（内机，PC机） 
  保护： 
  IPM过流、过温保护 
  IPM欠压保护 
  压缩机过温保护（可选） 
  上电保护 
  功率因素校正：NDA 
  急停放电：150W 
  （注：以上某些功能具有排它性。） 

  3.3系统开发环境框图


                        图3-3-1：系统开发环境框图

 系统开发环境框图简介：

    室内机控制器：交流变频空调的室内机控制器，与外机控制器通过UART1口进行通讯。主要功能是传递室内的温度信息，遥控器信息。 具体协议见附件E。

 仿真器/调试器：MICROCHIP公司的ICD2在线调试器或ICE4000仿真器。

 室外机控制器：目标板。

 PC机：调试仿真终端。PC机上应安装MPLAB 7.0以上版本，C30 1.2以上版本。

 辅助软件MONCON：

 辅助软件MONCON用于提供PC调试界面，可方便设置系统工作模式；调节电机运行参数，并可模拟室内机控制室外机运行以及获取室外机运行状态。 MON-CON的使用方法见 相应操作指南。 MPLAB及C30的使用方法不属于本笔记介绍的范畴。请查阅相关资料 。 

  3.4分体式直流变转速空调系统电控框图


                          图3-4-1：系统电控框图

    上图中，虚线框内即为完整的室外机电控件，以下简称为目标板。目标板与室内机控制器接线简单（UART），功能上相对独立。这为以后室内、外机电控件的开发、再开发提供了便利。 对开发而言，出于安全考虑，外接交流电必须有隔离措施，方可接驳目标板。外接交流电的规格并无特别的限制，原则上交流90-260V，50/60HZ皆可以。 

但考虑到PFC功能模块尚未完全应用，在此特别限制外接交流电的规格为：

220V/50HZ，电压波动范围为正负20%（180-260V）

  3.5室外机功能框图


                            图3-5-1：室外机功能框图

上图虚框内部分不属于目标板板上功能。

室外机功能框图介绍：

MCU：dsPIC30f4011作为外机的唯一控制芯片，具有如下特点：

16位MCU+DSP 的架构 
30MIPS的运行速度 
ROM/FLASH： 48K，RAM： 2K，EEPROM： 1K 
UART ：2；TIMER：5；OC：4；QEI；9 通道ADC，500kbps/10bit; 
马达控制专用PWM：6 
保护信号输入