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

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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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 光 电 隔 离 PWM1L PWM2H 控制器 Motor PWM2L PWM3H M1 PWM3L DC- 电流反馈 速度反馈

  6. 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。

  7. 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

  8. 圆形旋转磁场 Φ Us u w u

  9. 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

  10. UV q π 4π/3 5π/3 2π u4 u4 u3 u3 π/3 2π/3 VW d u2 u2 π/3 5π/3 2π u5 u5 2π/3 π 4π/3 WU u6 u6 u1 u1 π/3 2π/3 π 4π/3 5π/3 2π 正多边形旋转磁场

  11. 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

  12. 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）

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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 输 出 驱 动

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. SVPWM算法主流程图

  27. PWM中断服务程序流程图

  28. 定时器1中断服务程序流程图

  29. 主程序(1/2)

  30. 主程序(2/2)

  31. 初始化程序(1/2)

  32. 初始化程序(2/2)

  33. LOW_ISR程序

  34. 频率更新

  35. 计算调制度(1/2)

  36. 计算调制度(2/2)

  37. HIGH_ISR(1/2)

  38. HIGH_ISR(2/2)

  39. 正弦表 Value = Sin((60°/171) * i) * 256

  40. 计算t0,t1,t2 (1/3)

  41. 计算t0,t1,t2 (2/3)

  42. 计算t0,t1,t2(3/3)

  43. 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

  44. 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

  45. 室内机控制板

  46. 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

  47. 室外机控制板

  48. 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

  49. 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

  50. 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

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