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文档简介

1、基于dsPIC30F2010/PIC18F4431的交流变频空调设计 CADC(应用设计中心),V/F控制 dsPIC及PIC18Fxx31特点 SVPWM实现 系统硬件介绍 系统软件介绍 演示,日程,变压变频调速,Variable Voltage Variable Frequency VVVF或VF控制 电源电压平衡方程式U = E + Ir + jIx 定子绕组的反电动势E = k * f * 定子电流 I = I1 + I2 , 少部分(I1)用于建立主磁场磁通,大部分(I2)用于产生电磁力带动负载 如果维持电源电压不变,降低运转频率f, 由于外负载不变,I2基本维持不变。因此I1增加,

2、导致磁通量增加并使铁心饱和,励磁电流波形产生畸变,影响机械特性 解决办法 维持磁通量不变,即 E / f = k * = 常数 由于阻抗上产生的压降很小, U E 。调整电压U,使其跟随频率变化,从而达到维持磁通量不变的目的,转矩,电压,频率,frated(基频),电压/磁通,VF控制特性曲线,磁通,变频器硬件结构,控制器,PWM1H,PWM1L,PWM2H,PWM2L,PWM3H,PWM3L,三相或单相输入,Motor,+,-,电流反馈,速度反馈,DC+,DC-,DC-,M3,M1,整流,光 电 隔 离,PWM产生方法,正弦波脉宽调制(SPWM) 在进行脉宽调制时,使脉冲系列的周期和占空比按

3、正弦波规律来安排。可以用定时器和比较器实现。 空间矢量脉宽调制(SVPWM) 根据电压空间矢量在圆形旋转磁场中的位置来计算脉冲系列的脉宽。,SVPWM技术优点,与SPWM比较,SVPWM技术优点 在同样母线电压下,高频时可输出更高的电压 在低频时SVPWM可以输出较大的功率 减少谐波份量,从而降低铁损 PWM脉宽值的计算相对简单,圆形旋转磁场,Us,w,u,u,电压空间矢量与逆变器工作状态,正多边形旋转磁场,电压空间矢量的线性组合,Ur * T = (T1 * U0) + (T2 * U60), 变换到直角坐标得到 令A=|Ur|,并且A=3/2*Us*M T1=T*M*sin(/3-) T2

4、=T*M*sin T0=T T1 T2 T = T1 + T2 + T0 = PWM Period,逆变器的PWM波形,T0/4,T0/4,T0/4,T0/4,T1/2,T2/2,T2/2,T1/2,T (PWM周期),PWM0,PWM1,PWM2,U001,U011,U011,U001,U111,U111,U000,U000,V/F控制 dsPIC及PIC18Fxx31特点 SVPWM实现 系统硬件介绍 系统软件介绍 演示,日程,dsPIC架构,23-bit PC Control,数据空间 32K x 16 bit DSP: dual access MCU: single access,X

5、AGU,Y AGU,指令预取与译码,TABLE Access Cntrl,Address Path,MCU/DSP Data Path,Program Data/Control Path,DSP Data Path,dsPIC特点(1),dsPIC DSP + 16bit PIC MCU 哈佛结构 24位指令宽度,16位数据宽度 12144K程序空间, 4K/8K数据空间,1/4K EEPROM 16 x 16bits 工作寄存器,2个40bits 累加器 17 x 17bits辅助乘法器,单周期完成乘法操作 单周期完成乘加操作 支持间接寻址,位反寻址,取模寻址等多种方式 30MIPS运算能力

6、 28SDIP/40DIP/44TQFP/80TQFP,dsPIC特点(2),在片外设 I/O电流25mA 5个16bits定时器, 16bits CCP/PWM I2C,SPI,UART,CAN 10bits高速A/D 500Ksps,16通道,dsPIC特点(3),电机控制PWM接口 6/8通道PWM输出,极性可调整,可设置为互补输出 4个占空比产生器,16bits精度 多种工作模式 保护输入接口 QEI接口及输入捕捉接口,dsPIC电机控制PWM接口,FLTCON,通道2 死区产生逻辑,输 出 驱 动,DTCON,PIC18FXX31特点(1),针对C 优化的高性能 8-bit RISC

7、 CPU 2.0V 5.5V 操作电压 8bit x 8bit辅助乘法器 10MIPS 10MHz with 4X PLL 8/16K Flash, 768Bytes RAM,256 EEPROM 28SDIP/SOIC,40PDIP,44TQFP/QFN 灵活的时钟模式,最高时钟可达40 MHz,PIC18FXX31特点(2),在片外设 I/O电流25mA 3个16bits定时器,1个8bits定时器 I2C,SPI,UART 10bits高速A/D 200Ksps,9通道,多种工作模式 3个外部中断输入接口,PIC18FXX31特点(3),电机控制PWM接口 6通道PWM输出,极性可调整,

8、可设置为互补输出 14bits精度 4个占空比产生器 多种工作模式 保护输入接口 QEI接口 3通道独立的输入捕捉接口,V/F控制 dsPIC及PIC18Fxx31特点 SVPWM实现 系统硬件介绍 系统软件介绍 演示,日程,T0/T1/T2计算,16bit Angle: 0 2 0 65536,171个,调制度,V/F特性,表示输出幅度,与电机VF特性及运行频率有关 VF曲线斜率Slope V/F 1.9 M = Freq * Slope + Offset 调制度M1,M = M/256,电机运行频率,电机运行频率 载波频率 / Steps per Cycle 或者 例如,载波频率fs为4K

9、HZ,角度寄存器位宽m为16,角度每次步进655。 电压矢量旋转一周步数为65536/655 100步,那么电机运行频率 4000/100 = 40HZ 提高载波频率可以使旋转磁场轨迹更接近圆形,但会增加运算,开关损耗以及电磁辐射,SVPWM算法主流程图,PWM中断服务程序流程图,定时器1中断服务程序流程图,主程序(1/2),主程序(2/2),初始化程序(1/2),初始化程序(2/2),LOW_ISR程序,频率更新,计算调制度(1/2),计算调制度(2/2),HIGH_ISR(1/2),HIGH_ISR(2/2),正弦表,Value = Sin(60/171) * i) * 256,计算t0,

10、t1,t2 (1/3),计算t0,t1,t2 (2/3),计算t0,t1,t2(3/3),V/F控制 dsPIC及PIC18Fxx31特点 SVPWM实现 系统硬件介绍 系统软件介绍 演示,日程,系统硬件框图,UART,四通阀,温度传感器,dsPIC,过流/过欠压/过温保护电路,压缩机,IPM,整流器,室外风机,热交换,室外机,LED/Key,室内机控制板,室内机硬件框图,室外机控制板,室外机硬件框图,L,N,dsPIC 30F3011,整流/供电,环境/盘管/ 压缩机温度,室外风机,四通阀,LED,内外机通讯,IPM,光电隔离,电流/电压检测及 过欠压/过流保护,压缩机,PWM,A/D,UA

11、RT,I/O,I/O,I/O,A/D,启动电路,I/O,保护信号,室内/室外机通讯,通过电力线通讯,减少内外连接线,室内部分,室外部分,光电隔离,控制板与功率驱动板之间实现电气隔离 光耦上升时间与下降时间的迟延并不一致,这会导致死区时间的变化。应根据实际情况调整上拉电阻阻值以及PWM死区时间,IPM,IR - IRAMX16UP60A IGBT最大关断电压:600V 最大相电流:25c 16A, 100c 8A 最大峰值相电流:30A 最大载波频率:20K赫兹 压缩机功率范围:0.752kW / 85253 Vac 过流/过温保护输出 Mitsubishi PM20CTM060,压缩机参数,电

12、机式样:三相感应电机 电源:30120HZ/57228V 输入功率:850W 电流:5.7A 5% 使用冷媒:R22,150,V/F特性,室内机硬件原理图1,室内机原理图1,测试按键,复位按键,8M晶振,EEPROM,室内机硬件原理图2,室内机原理图2,风机,步进电机,室外机电源,室内机硬件原理图3,室内机原理图3,电源,光电隔离,到室外机,室外机电源线,室内机硬件原理图4,室内机原理图4,5V/12V电源,过零检测,红外接收,温度传感器,室外机硬件原理图1,室外机原理图1,dsPIC30F3011/2010,室外机硬件原理图2,室外机原理图2,室外风机,四通阀,电子膨胀阀,室外机硬件原理图3

13、,室外机原理图3,过流检测,过欠压检测,室外机硬件原理图4,室外机原理图4,温度传感器,电机速度反馈,室外机硬件原理图5,室外机原理图5,通讯,室外机硬件原理图6,室外机原理图6,IPM接口,室外机硬件原理图7,室外机原理图,IPM,5V/15V 电源,反电动势检测,室外机原理图7,日程,V/F控制 dsPIC及PIC18Fxx31特点 SVPWM实现 系统硬件介绍 系统软件介绍 演示,室内机主流程图(1/2),室内机主流程图(2/2),室内机中断处理流程(1/2),室内机中断处理流程(2/2),室外机控制框图,室外机工作状态,制热模式 四通阀,压缩机,室外风机工作 除霜操作 制冷模式 压缩机

14、,室外风机工作 通风模式 室外风机工作 除湿模式 自动模式 根据室内温度在通风、制冷、制 热模式之间进行切换 测试模式,室外机主流程(main.c),系统初始化模块,系统初始化 复位仲裁 片内外设初始化:I/O端口,PWM模块,ADC模块, UART模块,定时器1,RAM 驱动初始化:风机,四通阀,LED,主电源,扩展I/O, 冷启动保护 系统状态初始化 UART接收状态初始化,时钟模块 (timer.c),处理所有的时钟、定时器,最小分辨率为5毫秒 以5毫秒为基数的时钟、定时器 以秒为基数的时钟、定时器 以分为基数的时钟、定时器 以小时为基数的时钟、定时器,内外机通讯协议,采用半双工的UAR

15、T方式传送 室内机为Host,室外机为Slave Host发送命令帧,Slave发送状态帧。每帧数据包括六个字节,前五个字节为数据或状态,最后字节校验 每次数据交换由Host发送命令帧, 由Slave返回状态帧。如果Host在规定时间内没有接收到返回相应的状态帧,将重新发送命令帧。Slave不会主动向Host发送数据 在接收到帧的第一个字节后,如在规定时间内没有接收到完整的帧数据,应该清除接收缓存中的数据,重新等待。,通讯模块 (communication.c),处理与室内机(主机)的数据交换任务 数据交换以帧为单元,帧结构及通讯协议请参考通讯协议部分的说明 接收数据的处理 接收数据的响应 接

16、收状态切换至发送状态的过程控制 发送状态切换至接受状态的过程控制 字节的收发在相应的中断服务程序中完成,室外机通讯处理流程,自动/经济模式的预处理 (auto.c),根据室内环境温度与设定温度的差值切换至相应的实际工作模式 设定温度固定为22C 室内环境温度-设定温度1 C ,切换至制冷模式 设定温度-室内环境温度1 C ,切换至制热模式 |室内环境温度-设定温度|=1 C ,切换至通风模式,传感器(ADC)模块 (get_ad_value.c),采样结果采用查询方式(高速ADC) 每10秒钟,通过扩展电路,用一个AD输入端口对八路模拟量进行间隔扫描 每5毫秒切换一扫描通道 待扫描通道需提前5

17、毫秒被切换 每通道连续采样6次,中间四次取平均 通过查表方式取得相应的值(温度,电压,电流) 0.5 C 分辨率,ADC 模块流程图,目标频率设置 (temp_to_freq.c),目标频率与运行模式,设定温度,室内、外环境温度,室内、外盘管温度,压缩机工作液进、出口温度,供电电压,工作电流相关 目标频率1(f1):由运行模式,设定温度,室内环境温度决定 目标频率2(f2):由运行模式,室环境温度决定 目标频率3(f3):由室内、外盘管温度决定 目标频率4(f4):由供电电压,工作电流决定 目标频率:f = Minus(f1,f2,f3,f4),环境温度也影响压缩机工作频率,例如,在制热模式下

18、,目标频率设置,流程图1/4-目标频率设置模块,流程图2/4-目标频率设置模块,流程图3/4-目标频率设置模块,流程图4/4-目标频率设置模块,系统运行模式处理 (system_mode_switch.c),用于处理系统实际运行模式之间的切换 运行模式的切换只在进程稳定时进行 运行模式切换后,需进行进程的设置 模式切换如涉及四通阀的状态切换,压缩机应先停,再启动,系统运行模式处理流程图,进程控制模块(sequence_move.c),进程:系统进入稳定工作状态的过程,不稳定工作状态通常牵涉到压缩机,四通阀,风机的状态切换 启动时动作顺序:风机,四通阀,压缩机 关闭时动作顺序: 制冷模式:压缩机

19、,四通阀,风机 制热模式:压缩机,风机,四通阀 避免压缩机的频繁开关 压缩机启动保护,风机、四通阀控制模块(fan_valve_module.c),风机的速度控制 根据工作模式和运行频率来设定风机速度 风机速度在非关状态之间切换时,应插入一定时长(50毫秒)的关状态 通风模式下,风机不工作 四通阀控制 四通阀关:制冷,除湿,测试,除霜,通风 四通阀开:制热,测试,除霜,压频参数设定模块(voltage_frequency.c),每隔一固定时长(1秒)对运行频率进行调整 步调方向:目标频率 步调精度:1赫兹 压缩机的电压参数与频率参数应同步设置 频率参数影响电压参数 供电电压影响电压参数 电压参数的补偿(低频端,40赫兹) 参照压缩机规格书,V/F 模块流程图,V/F 的实现1/4 (pwm_isr.c),PWM 设置:4KHZ,低有效,3组互补输出,中心对齐,故障保护 计算相位值 计算每组PWM信号的占空比 根据相位确定加在压缩机上的电流回路,流程图-V/F 的实现1/4,V/F 的实现2/4 (pwm_isr.c),计算相位值 相位寄存器 16位精度:

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