数字信号处理器TMS320F241在变频空调中的应用

    摘要：提出了一种基于TMS320F241数字信号处理器（DSP）的控制系统，可使变频空调实现全数字化调速。该系统充分利用DSP芯片具有高性能处理能力以及先进的控制技术，并用智能功率模块驱动空调压缩机，从而使其结构简单、运行性能好、噪声低、可靠性强。实验结果表明了该方案的可行性以及DSP应用于变频空调控制系统的优越性。

    关键词：数字信号处理器 变频空调 智能功率模块

目前，传统空调器仍然占空调器市场的主要地位。它由室温决定启、停控制方式，利用笼型机电控制压缩机调节冷气和暧气。但因压缩机转速恒定和采用简单的控制方式，因而使传统空调器有温度调节能力差、运行效率不高等缺点。因此我们采用DSP技术、交流永磁电动机、空间磁场定向控制技术和空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）等开发出一个新的控制系统，与传统空调的控制系统相比，它具运行性能好、效率更高、噪声低、节能效果非常显著等特点。

在新的控制系统中，针对变频空调设计的TMS320F241 DSP提供了一个可编程的产品开发平台，用户可以基于这个平台开发出交流、直流和一拖多等系统，并进一步进行产品的升级换代。而且，先进的电机控制算法将帮助用户解决变频空调设计上的一些技术瓶颈，如降低系统的能耗及噪声。DSP具有高性能的运算能力，适用于不同类型的数字控制装置，可以取代以往昂贵的传感器和外部元件，从而降低系统成本，大大缩短厂商研发周期。新一代DSP产品中，将提供保密功能，防止软件被盗版，以保护用户核心技术。本文提出基于TMS320F241DSP的空调控制系统，充分利用其面向电机控制的外设，使控制系统结构更简单、性能价格比更高。

1 系统控制原理

控制系统采用空间磁场定向控制策略。为了实现对电磁转矩的有效控制，在同步旋转坐标系中把定子电流矢量分解为两个分量：一个分量与电极磁动势重合，称为转矩电流分量，即q轴电流分量；另一个分量与励磁磁场重合，称为励磁电流，即d轴电流分量。通过控制定子电流空间矢量的相位和幅值大小，也就是控制转矩电流分量和励磁电流分量的相位和幅值大小，来实现对磁场和转矩的解耦控制。这样，就可将交流永磁电动机模块成他励直流电动机，从而获得与直流电动机同样的调速性能。

SVPWM控制信号是DSP利用其内部硬件产生的数字化信号。从逆变器的工作状态看，功率器件共有八种方式导通，上桥臂器件导通用“1”表示，下桥臂器件导通用“0”表示。如图1所示，六个有效矢量（V1～V6）和两个位于原点的零矢量（V0&V7）组成了基本电压空间矢量。利用它们的线性组合，可以获得更多与基本电压矢量相位不同的新的更多的电压空间矢量，最终构成一组等幅不同相的电压空间矢量，从而形成尽可能逼近圆形的旋转磁场。这样，在一个周期内，逆变器的开关状态就要超过六个，而有些开关状态会多次重复出现，所以逆变器的输出电压是一系列等幅不等宽的脉冲波。这就形成了电压空间矢量控制的PWM逆变器。

例如，在图1第3扇区中，依平行四边形法则可得：

由电压空间矢量定义式可解得：

式中，T4，T6为一个周期内第4和第6功率器件的开断时间。

当T4，T6不足时插入零矢量补足，一般为：

2 TMS320F241的结构特点

TMS320F241为美国TI公司推出的一种适用于电动机控制DSP芯片。该芯片的执行速率很快，内部采用多总线的哈佛结构，流水作用，20MHz的内部时钟频率下，指令周期仅50ns[1]。CPU具有32位中央算术逻辑单元和专用硬件乘法器，可在一个指令周期内完成一条16位乘以16位的乘法运算。存储器有8K片内闪烁存储器。丰富的事件管理器包括两个16位通用定时器、五个比较器、三个捕获单元，其中两个捕获单元有正交编码器脉冲接口功能。还有八个比较/脉宽调制（PWM）通道、8通道10位模/数转换器（ADC）、串行通讯接口（SCI）和串行外部设备接口（SPI）等。它与TMS320F240相比，具有体积小、功能齐备、可利用较少的资源完成控制方案等优点。

3 变频空调控制系统的组成

整个空调控制系统的框图如图2所示。该系统由永磁空调压缩机、以TMS320F241数字信号处理器为核心的系统板、定子电流检测环节和智能功率模块PM10CSJ060等构成。系统板由TMS320F241、外部SRAM和控制信号驱动芯片等组成。系统的所有控制调节全部由TMS320F241控制器用软件完成，可直接输出SVPWM信号，经光耦隔离后接入智能功率模块驱动空调压缩机。ip由于系统采用永磁材料和大规模集成电路等电子元器件，不但节省能源和原材料，而且使产品质量提高、寿命延长、故障率降低。

3.1 永磁空调压缩机

系统采用永磁同步电动机作为空调压缩机的执行元件。电动机由钕铁硼（NdFeB）永磁材料是供恒定的励磁磁场，使其体积减小、重量轻、发热少，更加有利于压缩机长时间运行。它本身结构简单、没有机械换向、无需多少维护、控制相对笼型电机比较简单、容易实现高性能的优良控制。

3.2 速率检测

控制系统执行元件采用永磁同步电动机。当TMS320F241的正交解码脉冲电路（QEP电路）被使能时，引脚CAP1/QEP0和CAP2/QEP2接收光电编码器产生正交脉冲信号，通过对这两路信号的每个沿（上升沿和下降沿）进行逻辑检测产生一个四倍频信号和一个方向信号。四倍频信号作为计数脉冲，方向信号决定TMS320F241内部计数器的计数方向，使计数器作连续递增/递减计数。这样，从计数器的计算值及计数方向可得出电机的速率和肇转方向。

3.3 定子电流检测

在本系统中，选用霍尔电流传感器检测定子电流中的A、B两相电流，C相电流则通过计算获得。图3为A相定子电流检测电路，传感器输出的电流反馈信号经25Ω电阻取压，再经电压跟随器后与2.5V模拟偏移量求和，变为0～5V范围的信号。此时所得信号就可以通过引脚ADCIN6和ADCIN3，送到集成在TMS320F241上的A/D转换模块，从而获得定子电流反馈信号。

3.4 驱动及保护

在空调控制系统的主电路中，采用三菱公司的第三代智能功率模块PM10CSJ060作为逆变器，TMS320F241输出的六路空间矢量信号SVPWM经驱动电路和光耦隔离作为智能功率模块的驱动控制信号。PW10CSJ060是将六个IGBT及其驱动电路和保护电路集成在同一封装的集成元件。高效率的驱动电路同IGBT集成在一起，缩短了产品的设计开发周期，使可靠性进一步提高；模块内集成了电流传感器，可以检测过电流及短路电流；每个IGBT有独立的保护电路，使模块工作更可靠；非常小的开关损耗和较高的频率使逆变器达到静音操作。死区时间可由模块内的硬件电路产生，但用户也可通过设置TMS320F241芯片提供的死区控制单元寄存器，由软件产生。

保护电路用于主电路的过热、过载、短路、欠压等故障保护。故障输出信号经光耦隔离，接入TMS320F241的保护端引脚PDPINT。芯片内部逻辑电路发生故障时，将SVPWM输出信号进行封锁，从而实现了对空调压缩机的驱动保护。

4 软件设计

空间磁场定向控制策略全部由TMS320F241软件完成，软件控制先进行程序初始化、定义变量常数。然后进入用户模块程序，循环等待当前的SVPWM下溢中断发生，在等待时间与遥控接收器通讯，用户可调整室内温度设定值。当下溢中断发生器，产生下一个SVPWM信号，空间磁场定向控制算法在SVPWM中断服务子程序中完成，与SVPWM同周期。

图4为SVPWM中断服务子程序框图。下溢中断发生时正是下一个SVPWM周期的开始，Ia和Ib电流反馈信号经ADC模块变为数据量，判断定子电流空间矢量是否与d轴正交。不正交时，QEP电路处理编码器脉冲，计算磁极位置、电机速度和旋转方向；正交时，通过对磁极位置等变量赋值后，直接进入电流矢量变换控制环，即dq轴电流PI调节器。当电流环循环计数值变量nsp，与给定值nspr相等时，程序进入速度调节环，在确定idr和iqr电流给定值后，再进行电流调节[2]。

5 实验

实验采用交流永磁电动机，额定转矩：0.96Nm，额定速度：3000rpm，额定功率：300W,磁体材料：NdFeB。图5为TMS320F241的六个PWM全比较器产生的SVPWM控制信号。图6为电机中空间矢量扇区连续切换的SVPWM波形，从而实现对空调电机的变频控制。

实验证明，本系统由数字化实现的SVPWM可以降低功率器件的开关损耗，提高电压的利用率，并且使TMS320F241自身固有硬件电路能更加有效地发挥作用。

基于TMS320F241芯片的全数字化变频空调控制系统，充分利用了该芯片的超强实时计算能力和片内丰富的集成器件，使系统结构简单、产品开发周期短、可靠性强。因此，以该芯片组成的控制系统具有极广阔的实际应用价值。