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基于 dsPIC30F2010/PIC18F4431 的交流变频空调设计 CADC( 应用设计中心) PowerPoint PPT Presentation


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基于 dsPIC30F2010/PIC18F4431 的交流变频空调设计 CADC( 应用设计中心). 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. 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 * Φ

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基于 dsPIC30F2010/PIC18F4431 的交流变频空调设计 CADC( 应用设计中心)

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

基于dsPIC30F2010/PIC18F4431的交流变频空调设计

CADC(应用设计中心)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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 * Φ

  • 定子电流 I = I1 + I2 , 少部分(I1)用于建立主磁场磁通Φ,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,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 * Φ = 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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

恒转矩区

(节能区)

恒功率区

VF控制特性曲线

电压/磁通

电压

转矩

磁通

frated(基频)

频率


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

PWM1H

PWM2H

PWM3H

M3

M2

M1

PWM1L

PWM2L

PWM3L

变频器硬件结构

DC+

+

DC-

-

三相或单相输入

整流

PWM1H

M3

PWM1L

PWM2H

控制器

Motor

PWM2L

PWM3H

M1

PWM3L

DC-

电流反馈

速度反馈


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

圆形旋转磁场

Φ

Us

u

w

u


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

DC+

U120(010)

PWM1H

PWM2H

PWM3H

U60(011)

U240(100)

U180(110)

M1

M2

M3

U(000)

U(111)

U180(110)

U0(001)

PWM1L

PWM2L

PWM3L

U120(010)

U60(011)

DC-

U300(101)

U240(100)

U0(001)

U300(101)

U(111)

U(000)

电压空间矢量与逆变器工作状态


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

UV

q

π

4π/3

5π/3

u4

u4

u3

u3

π/3

2π/3

VW

d

u2

u2

π/3

5π/3

u5

u5

2π/3

π

4π/3

WU

u6

u6

u1

u1

π/3

2π/3

π

4π/3

5π/3

正多边形旋转磁场


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

U60(011)

Ur

T2 * U60

π/3

T1 * U0

U0(001)

θ

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(π/3-θ)

    T2=T*M*sin θ

    T0=T – T1 – T2

  • T = T1 + T2 + T0 = PWM Period


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

逆变器的PWM波形

U000

U001

U011

U111

U111

U011

U001

U000

PWM0

PWM1

PWM2

T0/4

T1/2

T2/2

T0/4

T0/4

T2/2

T1/2

T0/4

T (PWM周期)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Dspic

DSP引擎

程序空间

4M x 24 bit

线性

工作寄存器

16 x 16

MCU

ALU

dsPIC架构

数据空间

32K x 16 bit

DSP: dual access

MCU: single access

指令预取与译码

TABLE

Access Cntrl

X AGU

Y AGU

23-bit PC

Control

DSP Data Path

Address Path

Program Data/Control Path

MCU/DSP Data Path


Dspic 1

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

    • 12~144K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

    • 28SDIP/40DIP/44TQFP/80TQFP


Dspic 2

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 3

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 pwm

PWMCON 0

PWMCON 0

PWMCON 1

PWMCON 1

PDC2 buffer

DTCON

FLTCON

OVDCON <D/S>

PDC2

PDC2 buffer

PWM generator #2

PDC2

Comparator

PTMR

Channel 2

Dead time generat

Override logic

Output

driver

block

PTMR

PWM5

Comparator

8 bit data bus

Comparator

PWM4

Comparator

Channel 1

Dead time generat

Override logic

PWM3

PTPER

PWM Generator #1

PTPER

PWM2

PTPER buffer

PTPER buffer

PWM Generator #0

Channel 0

Dead time generat

Override logic

PWM1

PTCON

PTCON

PWM0

FLTA

Comparator

Special event

post scaler

SEVTDIR

Special Event Trigger

SEVTCMP

PTDIR

dsPIC电机控制PWM接口

DTCON

FLTCON

通道2

死区产生逻辑


Pic18fxx31 1

PIC18FXX31特点(1)

  • 针对‘C’优化的高性能 8-bit RISC 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 2

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 3

PIC18FXX31特点(3)

  • 电机控制PWM接口

    • 6通道PWM输出,极性可调整,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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


T0 t1 t2

q

U120

U60

S2

10bit for sine lookup table

S1

S3

d

60°

U0

2

U180

3

5

S6

S4

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

6

S5

8

9

U240

U300

11

T1=T*M*sin(π/3-θ)

T2=T*M*sin θ

T0=T – T1 – T2

13

T0/T1/T2计算

16bit Angle: 0 ~ 2π -> 0 ~ 65536

171个


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

V/F特性

调制度

  • 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M≤1,M = M/256


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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4KHZ,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


Svpwm1

SVPWM算法主流程图


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

PWM中断服务程序流程图


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

定时器1中断服务程序流程图


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

主程序(1/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

主程序(2/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

初始化程序(1/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

初始化程序(2/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

LOW_ISR程序


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

频率更新


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

计算调制度(1/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

计算调制度(2/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

HIGH_ISR(1/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

HIGH_ISR(2/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

正弦表

Value = Sin((60°/171) * i) * 256


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

计算t0,t1,t2 (1/3)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

计算t0,t1,t2 (2/3)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

计算t0,t1,t2(3/3)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

PIC16F74

LED/LCD

室内机

热交换

风向

遥控器

室内风机

系统硬件框图

温度传感器

室外风机

整流器

过流/过欠压/过温保护电路

IPM

dsPIC

压缩机

室外机

LED/Key

UART

四通阀

热交换


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机控制板


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

LED/LCD

出风口温度

PIC16F74

EEPROM

盘管温度

摆页电机

遥控接收

室内交流风机

过零检测

内外机通讯

蜂鸣器

L

主电源继电器

N

室内机硬件框图


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机控制板


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机硬件框图

启动电路

环境/盘管/

压缩机温度

A/D

dsPIC

30F3011

PWM

光电隔离

I/O

室外风机

I/O

保护信号

I/O

IPM

四通阀

I/O

LED

压缩机

A/D

UART

内外机通讯

电流/电压检测及

过欠压/过流保护

L

整流/供电

N


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

IPM

  • IR - IRAMX16UP60A

    • IGBT最大关断电压:600V

    • 最大相电流:25°c - 16A, 100°c - 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:0.75~2kW / 85~253 Vac

    • 过流/过温保护输出

  • Mitsubishi - PM20CTM060


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

200

100

50

120

135

30

90

60

压缩机参数

  • 电机式样:三相感应电机

  • 电源:30~120HZ/57~228V

  • 输入功率:850W

  • 电流:5.7A ± 5%

  • 使用冷媒:R22

150

V/F特性


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机原理图1

室内机硬件原理图1

复位按键

EEPROM

8M晶振

测试按键


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机原理图2

室内机硬件原理图2

步进电机

室外机电源

风机


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机原理图3

室内机硬件原理图3

室外机电源线

到室外机

电源

光电隔离


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机原理图4

室内机硬件原理图4

5V/12V电源

温度传感器

过零检测

红外接收


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机原理图1

室外机硬件原理图1

dsPIC30F3011/2010


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机原理图2

室外机硬件原理图2

四通阀

室外风机

电子膨胀阀


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机原理图3

室外机硬件原理图3

过欠压检测

过流检测


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机原理图5

室外机硬件原理图5

通讯


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机原理图6

室外机硬件原理图6

IPM接口


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机原理图7

室外机硬件原理图7

室外机原理图

5V/15V 电源

IPM

反电动势检测


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机主流程图(1/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机主流程图(2/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机中断处理流程(1/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室内机中断处理流程(2/2)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机控制框图


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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,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


Main c

室外机主流程(main.c)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


Timer c

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

Byte 0 ~4: command/status data

Byte5: Error Check

内外机通讯协议

  • 采用半双工的UART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。


Communication c

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

室外机通讯处理流程


Auto c

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22°C

    • 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


Adc get ad value c

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

ADC 模块流程图


Temp to freq c

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)


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

目标频率设置

例如,在制热模式下

环境温度也影响压缩机工作频率


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

流程图1/4---目标频率设置模块


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

流程图2/4---目标频率设置模块


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

流程图3/4---目标频率设置模块


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

流程图4/4---目标频率设置模块


System mode switch c

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

系统运行模式处理流程图


Sequence move c

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,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


Fan valve module c

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


Voltage frequency c

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


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

V/F 模块流程图


V f 1 4 pwm isr c

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


V f 1 4

流程图---V/F 的实现1/4


V f 2 4 pwm isr c

V/F 的实现2/4 (pwm_isr.c)

  • 计算相位值

    • 相位寄存器

      • 16位精度:0-360° <-->0-65536

      • 自由计数器,自由溢出

    • 每PWM中断,步进一次

    • 步进量仅由运行频率决定,为2倍的运行频率


V f 3 4 pwm isr c

V/F 的实现3/4 (pwm_isr.c)

  • 计算每组PWM信号的占空比

    • 变换0-360°相位值至0-60°,得到一相位

    • 取出另一相位=60°-

    • 正弦表为0-60°,171个点,预存值=(Sin)* 32768

    • 变换相位,至皆小于172,以期保证皆落在预定义的正弦表范围内

    • 通过查表取出,所对应的正弦值(Sin)* 32768,(Sin)* 32768

    • 计算相位的工作时长t1= Sin * PTPER * vol_amplitude)

    • 计算相位的工作时长t2= Sin * PTPER * vol_amplitude)

    • 无效工作时长t0=PWM周期(PTPER)-t1-t2

    • 一t0/2对应全开状态,另一t0/2对应全关状态

    • 实际占空比应为:t0/2,t1(或t2)+ t0/2, t1+t2+ t0/2


V f 3 4

流程图---V/F 的实现3/4


V f 4 4 pwm isr c

V/F 的实现4/4 (pwm_isr.c)

  • 电流回路的设置

    • 根据原始相位值(未作任何调整之前),确定所在象限(六种象限之一),将相应的占空比值赋到相应的占空比控制寄存器中,从而确定电流回路(功率管通断组合)

    • 注意:占空比控制寄存器的最末位(LSB)对应Qx时序,上述占空比值应先左移一位后再赋到相应的占空比控制寄存器中


V f 4 4

流程图---V/F 的实现4/4


Dspic30f2010 pic18f4431 cadc

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


  • Login