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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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Presentation Transcript

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

  • 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


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


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


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


圆形旋转磁场

Φ

Us

u

w

u


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


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


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


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)


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


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


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


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


PWM中断服务程序流程图







LOW_ISR程序







正弦表

Value = Sin((60°/171) * i) * 256


计算t0,t1,t2 (1/3)


计算t0,t1,t2 (2/3)


计算t0,t1,t2(3/3)


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


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



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



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


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: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


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


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


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


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


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


室外机原理图1

室外机硬件原理图1

dsPIC30F3011/2010


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


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


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


室外机原理图5

室外机硬件原理图5

通讯


室外机原理图6

室外机硬件原理图6

IPM接口


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


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



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


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



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


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)


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






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



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


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


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