引言
隨著《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》強制性國家標準的正式實施，對變頻空調整體性能的要求越來越高，低成本、低噪聲、高性能已成為變頻空調的發展趨勢。而作為變頻空調核心部件的壓縮機及其室外控制器是提升整機性能的關鍵。由于永磁同步電動機具有體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率密度高等優點，且采用正弦波控制方式可提高力矩輸出的穩定性和降低噪聲，因此被廣泛應用在壓縮機和風機中。
傳統變頻空調的室外控制器由功率因數校正(PFC)、壓縮機驅動控制、風機驅動控制等電路構成。其中PFC驅動采用模擬的專用控制芯片，壓縮機與系統控制采用MCU來實現無傳感器矢量控制及系統控制，而室外風機采用有霍爾傳感器的驅動芯片或者專門的MCU來實現無傳感器的矢量控制。采用多個芯片實現室外機控制，增加了成本，同時降低了系統的可靠性。
本文根據變頻空調產品控制系統高性能和低成本的特點，針對PFC和電機驅動的要求優化了室外機控制器的外設，定制了一款通用控制處理單元加專用控制加速器的雙核MCU，實現了變頻空調的功率因數校正、壓縮機和風機的無位置傳感器矢量控制、冷媒控制等功能，同時分析了PWM產生，電流、電壓等信號的采樣方法，提高了室外機控制系統的可靠性、穩定性。
1 變頻空調室外機驅動控制系統
本文提出的應用于變頻空調室外機控制系統主要由一個具有功率因數校正的整流器、兩個三相逆變器以及其他控制電路組成，整個系統由定制的雙核MCU進行控制。其中兩個三相逆變器用于驅動壓縮機永磁同步電機及風機永磁同步電機，一個功率因數校正電路用于實現母線電壓的主動控制，其他控制電路用于控制冷媒、環境溫度和室內機通信等。
1．1 壓縮機、風機驅動控制系統
在家用變頻空調中，壓縮機永磁同步電機處于高溫、高壓、密封的環境中，必須采用無位置傳感器矢量控制。其位置和轉速估算算法主要是基于假定旋轉坐標系，如圖1所示。
將假定坐標系下的電機方程式與旋轉坐標系下的電壓方程相減可得離散化的方程如下：
由于采樣周期較短，誤差被放大，還需要對估算轉速進行濾波處理。
依據上述位置估算算法建立無位置傳感器永磁同步電機矢量控制系統，如圖2所示。
由于風機驅動電路與壓縮機類似，為了節約芯片資源，也采用上述矢量控制系統。
1．2 數字功率因數校正驅動控制系統
家用變頻空調中全程功率因數校正技術大都采用模擬的專用控制芯片，成本高，應用范圍窄，同時也存在控制參數固定、適應范圍小的問題。本文在保證模擬方式全程功率因數校正技術優點的同時，提出了專有的數字功率因數校正技術，其工作原理如圖3所示。
數字PFC的控制目標是使圖3中的變換器輸入電流ig跟隨變換器的輸入電壓ug的波形，同時又要保持輸出電壓V。穩定到給定值Vref。
因此構造如下控制方程組：
其中Rs為變換器等效電阻，d為占空比，T為開關周期，um為控制電壓。通過對u1(t)和u2(t)進行比較——當u1(t)
1．3 其他控制系統
變頻空調主要根據室內需要的冷(熱)量的不同，連續地、動態地調節制冷(熱)功率，即系統模式控制；為了提高能效，還必須通過電子膨脹閥動態的調節冷媒的大小，即冷媒控制。
2 驅動控制系統的PWM以及信號采樣
采用單個MCU來控制PFC、兩個永磁同步電機以及其他控制需要13路PWM輸出和多達12個模擬信號采樣。其中PFC需要1個PWM輸出和2個模擬信號采樣，每個電機需要6路PWM輸出和3個模擬信號采樣，另外空調系統需要4個溫度采樣，而且PFC和電機控制需要實時采樣模擬信號，否則引起的延時會導致控制響應速度慢，降低動態性能。如何分配和管理這3個控制模塊的PWM輸出以及模擬信號采樣比較困難。
針對變頻空調器的要求，對驅動控制系統的PWM設置如下：壓縮機電機驅動采用3個PWM模塊6個輸出通道，并設置為上升一下降計數方式，載波頻率為5 kHz(周期為200μs)；風機電機驅動也采用3個PWM模塊6個輸出通道，并設置為上升一下降計數方式，載波頻率為10kHz(周期為100μs)；PFC采用1個PWM模塊的1個輸出通道，并設置為上升計數方式，載波頻率為20 kHz(周期為50 μs)。
同時針對變頻空調的信號采樣進行如下設置：由于變頻空調系統的溫度采樣和內部芯片溫度采樣的實時性要求比較低，需要針對ADC模塊的采樣處理進行優化設計。第一，允許每一個ADC通道有不同的觸發源；第二，可設置ADC通道的轉換優先級。在功率因數校正中，變換器的電流采樣信號受開關噪聲的影響，在開關點上經常會出現高頻振蕩，因此需要通過計算的開關信號占空比確定開關器件的導通時間和關斷時間，并根據導通時間和關斷時間計算出一個最佳的信號采樣點以進行信號采樣。在壓縮機、風機驅動系統的電流采樣中，由于三相電流對稱，因此只需分別同時采樣兩相電流，同時由于變頻空調中采用分流電阻器方式采樣，因此在空間電壓矢量PWM(SVPWM)方式中的不同扇區分別同時采樣不同的兩相電流，并由PWM計數器等于零來觸發采樣，如表1所列。
為了滿足電機驅動和PFC控制的需要，還需保證有兩個ADC采樣保持電路，允許兩個信號同時采樣，并允許選擇不同的兩個通道同時采樣。
3 定制的雙核MCU
針對變頻空調室外單元控制的需求，專門定制了變頻空調專用的雙核MCU，其時鐘頻率高達60 MHz，并提供7個片上增強型PWM模塊，每個PWM提供2個PWM輸出通道，且每個模塊之間可以設置移相及同步。高速ADC模塊的轉換速度為4．6 Msps，即每個信號的采樣轉換只需要216 ns。以CPU為核心處理加專用控制加速器CLA的雙核結構，各自有獨立的總線，可以分別運行不同的控制程序，從而提高系統的安全性。
為了提高整個室外控制系統的集成度和降低元器件的數目，在芯片中集成了更多的片上模塊，主要在以下幾個方面進行創新性設計：
①集成了雙10 MHz的片內時鐘源，可以通過PLL倍頻至60 MHz作為系統時鐘，提供給CPU、CLA和其他外設。這兩個時鐘源可相互備份，當其中一個失效時，可迅速切換到另外一個，使控制器繼續正常運行。在降低成本的同時提高了系統的抗干擾性。另外在片內集成了溫度傳感器檢測芯片內部溫度，通過專用的算法來補償片內時鐘源的溫度漂移，滿足了室內機通信等外設對時鐘源輸出精度的要求。
②集成了3個響應時間為30 ns的模擬比較器和10位精度的片內DAC，比較器的輸出可以直接關斷或屏蔽PWM的輸出，從而可以實現電機、PFC的保護，提高了過流、過壓保護的實時性，減少了電機過流退磁的現象。
③集成了片內電源電壓檢測電路以及預防控制代碼運行出錯的監控模塊，進一步提高系統的安全性。
4 實驗結果
圖4為基于雙核MCU的變頻空調室外機控制系統，對其進行了實驗驗證。
變頻空調輸入電壓為220 V，母線電壓設定為350 V，壓縮機運行轉速為5 280 rpm，風機運行轉速為900 rpm，壓縮機、風機電機參數如表2所列。
測試結果如圖5～圖7所示。
由實驗結果可以看出，采用雙核MCU實現了變頻空調室外機的壓縮機、風機、功率因數校正等技術的集成控制。
結語
通過分析永磁同步電機矢量控制與功率因數校正技術的原理，并針對新型變頻空調雙電機控制和數字功率因數校正的需要，定制了專用的雙核MCU，并優化片上外設PWM、ADC等設計，實現了單芯片集成的解決方案，并成功應用到變頻空調中。由實驗結果可以看出，采用單芯片實現了壓縮機驅動、風機驅動、功率因數校正等各種技術的集成控制，在提高系統性能的同時，增加了控制器的可靠性。本文所提出的基于雙核MCU的單芯片控制系統在格力公司的變頻空調產品中得到了推廣和應用，獲得了顯著的經濟效益和社會效益。