文档介绍：用于家用制冷系统解决方案的低成本数字信号控制器

作者:吴崇理
飞思卡尔半导体微控制器事业部
高级系统应用工程师
2007 年 7 月 18 日

简介

电机及其控制存在于许多常用的家用电器(包括微波炉、洗衣机、空调和冰箱)应用中。随着
更多复杂应用的出现以及节约能量和降低成本要求,目前市场上已经开发出了许多更为先进的
控制技术,如磁场定向控制技术或电机的负载自适应控制技术。由于缺少信号处理能力或合适
的外围设备,一般的 8 位微控制器(MCU)通常无法实现这些先进的控制性能。然而,通过利用
基于 DSP 内核的控制器,这种情况最近发生了引人注目的变化。数字信号控制器(Digital
Signal Controller,DSC)体系结构旨在减少外围器件的使用、降低系统成本和具有在短时间
内处理大量数据的能力,它具备 DSP 和 MCU 的双重功能,且具有先进的片上智能化的外设接
口。

如今,空调制冷系统通常消耗了住宅和办公楼中的大部分电能。过去 10 年,设备安装的数量
一直在稳定增长,特别是在亚洲一些国家和地区。这些设备中的大部分都是采用开关控制的方
法,将温度保持在设定的范围内。在重载情况下,定速压缩机的运行效率是较高的。但在负载
较轻的情况下,这种压缩机将会低效运行。在正常操作情况,最高负载出现在压缩机启动时,
因为需要从制冷区域抽取热量,以便把温度保持在理想的范围内。但是要想把温度保持在想要
的范围内,压缩机大部份时间会在较轻的负载情况下运行。

为了减少对全球气候变暖的间接影响,设计人员一直致力于在压缩机设计和复杂电子控制实施
方面提高制冷系统的效率。为了同时达到安静平稳运行和节约能量的目的,制冷系统中越来越
多地使用了变容压缩机,以根据需要改变制冷能力。变容压缩机的输出可以通过电子调频来控
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制。由于消费类制冷系统是成本敏感型和劳动力密集型产业,所以低成本、高集成度、可实施
复杂控制算法的控制器将使制造商和消费者同时获益。提高系统运行效率的一种方法是通过实
施输入功率因数校正(PFC)来减少无功能量的使用,这将节约 15%以上的能量。如今,在许
多国家和地区都要求家用电器必须具有 PFC,因为电子负载引起的无功电流和高次谐波电流将
需要额外的电网容量,这可能会影响电网的稳定性。

选择控制系统

有多种类型的压缩机可用于制冷应用,包括单转子压缩机(SRC)、双转子压缩机(TRC)、涡
旋压缩机和直线式压缩机等。

图 1:单转子压缩机和双转子压缩机的内视图

单转子压缩机是一种低成本的压缩机,它由一个较大的圆形空腔和其内部象偏心圆凸轮一样的
转子构成。在运行中,由于压力循环和转子重心偏移将会产生较大的机械震动,驱动电机的负
载是非均衡的循环变动的。双转子压缩机由两个对称的偏心圆凸轮转子组成。它的优势在于效
率更高,且电机转子负载更加均衡。尽管单转子压缩机的运行效率相对较低,负载也不均衡,
但因为其简单的机械结构,在低成本制冷系统中仍得到广泛采用。
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制冷系统的最新趋势是逐渐减少异步交流感应电机的使用,而增加使用永磁同步电机
(PMSM),这包括无刷直流电机(BLDC)