CN107678334B - 内置运放的mcu芯片及其在变频冰箱上的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内置运放的MCU芯片，所述MCU芯片内部集成运算放大器、电阻和二选一选择器组成的放大偏置电路模块，直接把三相逆变器下桥臂串入的小电阻两端电压送到MCU芯片进行处理以及后续的坐标变换计算；同时，在MCU芯片内部集成了硬件加速模块。本发明还提供了内置运放的MCU芯片在变频冰箱上的应用。本发明采用MCU芯片内置运放搭建偏置放大电路，明显降低了印刷电路的设计复杂度以及BOM成本；MCU芯片内硬件化CORDIC算法以及FOC坐标变换计算的硬件加速模块，可以明显减少算法执行时间，提高计算精度，从而提升压缩机的运转性能。

Description

内置运放的MCU芯片及其在变频冰箱上的应用
技术领域
本发明涉及一种MCU芯片及其在变频冰箱上的应用方法，属于集成电路、电机矢量控制和印刷电路领域。
背景技术
目前的冰箱变频控制方案大多采用主控制器加压缩机变频控制器的方式，压缩机变频控制器按照主控制器的转速命令控制压缩机的运转。压缩机变频控制器大多采用FOC算法，需要采集IU,IV,IW三相电流，通过坐标变换，双闭环PI控制器，采用SVPWM调制方法，控制三相逆变器的上下桥臂的通断，从而实现对压缩机的变频控制。采集电流时，通常在三相逆变器下桥臂串入一个小电阻，将电流转化为电压进行采集，由于三相电流可正可负，在印刷电路板上需要每一相电流使用一个集成运放进行电压的偏移和放大，这样的电路设计很复杂，且BOM成本高。坐标变换运算涉及三角函数的计算，比较耗时，目前大多采用查表的方式，但查表方式只是选取离散值，精度不高，会影响压缩机运转性能。
发明内容
为了克服现有变频冰箱变频控制器的印刷电路设计复杂、BOM成本高、FOC算法坐标变换中的三角函数计算耗时，查表精度不高等问题，本发明提供了一种内置运放和硬件加速模块的MCU芯片来解决上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种内置运放的MCU芯片，所述MCU芯片内部集成运算放大器、电阻和二选一选择器组成的放大偏置电路模块，直接把三相逆变器下桥臂串入的小电阻两端电压送到MCU芯片进行处理以及后续的坐标变换计算；同时，在MCU芯片内部集成了硬件加速模块。
更进一步的方案是：
采用三电阻电流采样方案，用两路ADC同时采集两路下桥臂导通时间最长的相电流，另一相电流则由基尔霍夫电流定律计算得出，相电流通过串联的小电阻转化为电压，电压在ADC有效转化范围内靠近参考电压，更好发挥ADC的转化精度，上述偏置放大电路由两个运算放大器和可调电阻组成两个通路，可调电阻可以调节电压范围；下桥臂导通时间最长的两相电流是不断变化的，在两路偏置放大电路之前分别设计一个二选一的选择电路，将三相电流中的其中一相IW接入两个二选一电路，IU单独接入其中一个二选一电路，IV单独接入另一个二选一电路，如此可以实现IU/IV，IU/IW，IV/IW任意组合的两相电流同时采集。
更进一步的方案是：
MCU芯片内部集成的硬件加速模块，是将CORDIC算法用硬件描述语言来实现，从而实现三角函数的硬件加速运算，CORDIC算法的统一结构是
Figure GDA0002334535170000021
其中
Figure GDA0002334535170000022
Sn＝±1，取m＝0时，为圆周系统，可完成硬件乘除运算；取m＝1时，为线性系统，可完成硬件三角函数和反三角函数运算；取m＝-1时，为双曲系统，可完成双曲正弦、双曲余弦、指数、对数及开方运算。
更进一步的方案是：
将CORDIC算法的统一结构由硬件实现，完成FOC算法中的CLARK变换、PARK变换以及逆PARK变换的硬件运算，具体为：
针对FOC算法中的CLARK变换
Figure GDA0002334535170000023
PARK变换
Figure GDA0002334535170000024
逆PARK变换
Figure GDA0002334535170000025
分别实现了硬件化。
本发明还提供了前述内置运放的MCU芯片在变频冰箱上的应用，是用于变频冰箱的变频控制。
本发明的有益效果是，采用MCU芯片内置运放搭建偏置放大电路，明显降低了印刷电路的设计复杂度以及BOM成本；MCU芯片内硬件化CORDIC算法以及FOC坐标变换计算的硬件加速模块，可以明显减少算法执行时间，提高计算精度，从而提升压缩机的运转性能。
附图说明
图1为本发明所涉及芯片架构图及软硬件分配示意图；
图2为三相逆变器示意图；
图3为FOC算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如附图1、2所示，一种内置运放的MCU芯片，在MCU芯片内部集成运算放大器和电阻，搭建成偏置放大电路，直接把三相逆变器下桥臂串入的小电阻两端电压送到MCU芯片进行处理以及后续的坐标变换计算；同时，在MCU芯片内部集成了硬件加速模块，加快了三角函数的计算，并提高了计算精度。
采用三电阻电流采样方案，需要用两路ADC同时采集两路下桥臂导通时间最长的相电流，另一相电流则由基尔霍夫电流定律计算得出，相电流通过串联的小电阻转化为电压，电压需要在ADC有效转化范围内靠近参考电压，才能更好发挥ADC的转化精度，上述偏置放大电路由两个运算放大器和可调电阻组成两个通路，可调电阻可以调节电压范围；下桥臂导通时间最长的两相电流是不断变化的，在两路偏置放大电路之前分别设计一个二选一的选择电路，将三相电流中的其中一相IW接入两个二选一电路，IU单独接入其中一个二选一电路，IV单独接入另一个二选一电路，如此可以实现IU/IV，IU/IW，IV/IW任意组合的两相电流同时采集。
上述MCU芯片内部集成的硬件加速模块，是将CORDIC算法用硬件描述语言来实现，从而实现三角函数的硬件加速运算，CORDIC算法的统一结构是
Figure GDA0002334535170000031
其中
Figure GDA0002334535170000032
Sn＝±1，取m＝0时，为圆周系统，可完成硬件乘除运算；取m＝1时，为线性系统，可完成硬件三角函数和反三角函数运算；取m＝-1时，为双曲系统，可完成双曲正弦、双曲余弦、指数、对数及开方运算，针对FOC算法中的CLARK变换
Figure GDA0002334535170000033
PARK变换
Figure GDA0002334535170000034
逆PARK变换
Figure GDA0002334535170000035
分别实现了硬件化，进一步减少了整个FOC算法的执行时间，提高了计算精度。
内置运放和硬件加速模块的MCU芯片在变频冰箱上的应用，详细方法如下：
在三相逆变器下桥臂分别串联一个小电阻，将三相电流转换为电压IU/IV/IW，将IU/IV/IW直接接入MCU芯片，根据FOC算法计算出当前哪两路下桥臂导通时间最长，然后配置两个二选一选择器选定相应的两个输入，根据输入值的大小，配置合适的R2与R1的比例关系,从而使输入达到ADC高精度的转化量程内，ADC采集到两相电流值之后，通过基尔霍夫电流定律计算出另外一相的电流，将得到的三相电流值输入到FOC算法中。
如附图3所示，在FOC算法中，进行CLARK变换、PARK变换和逆PARK变换的计算时，使用MCU芯片的硬件加速模块中相应的CLARK变换、PARK变换和逆PARK变换功能进行硬件计算，也可以只在坐标变换涉及三角函数计算时，调用MCU芯片的硬件加速模块中的三角函数功能进行硬件计算。
经过FOC算法中的SVPWM调制方法计算出下一个PWM周期的ADC采样触发时刻、ADC所要采集的两路下桥臂导通时间最长的电流以及三相逆变器上下桥臂的通断时间，将这些计算结果配置到MCU芯片的相应寄存器，MCU芯片便可以按照配置在下一个PWM周期内相应的时刻产生ADC触发信号、配置两个二选一选择器、产生UP/UN,VP/VN,WP/WN三对三相逆变器上下桥臂通断控制信号。
在要用到变频冰箱时，会由此产生旋转的磁场，拉动压缩机转动。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (2)

1.一种内置运放的MCU芯片，其特征在于：所述MCU芯片内部集成运算放大器、电阻和二选一选择器组成的放大偏置电路模块，直接把三相逆变器下桥臂串入的小电阻两端电压送到MCU芯片进行处理以及后续的坐标变换计算；同时，在MCU芯片内部集成了硬件加速模块，采用三电阻电流采样方案，用两路ADC同时采集两路下桥臂导通时间最长的相电流，另一相电流则由基尔霍夫电流定律计算得出，相电流通过串联的小电阻转化为电压，电压在ADC有效转化范围内靠近参考电压，更好发挥ADC的转化精度，上述偏置放大电路由两个运算放大器和可调电阻组成两个通路，可调电阻可以调节电压范围；下桥臂导通时间最长的两相电流是不断变化的，在两路偏置放大电路之前分别设计一个二选一的选择电路，将三相电流中的其中一相IW接入两个二选一电路，IU单独接入其中一个二选一电路，IV单独接入另一个二选一电路，如此可以实现IU/IV，IU/IW，IV/IW任意组合的两相电流同时采集；
MCU芯片内部集成的硬件加速模块，是将CORDIC算法用硬件描述语言来实现，从而实现三角函数的硬件加速运算，CORDIC算法的统一结构是
Figure FDA0002334535160000011
其中
Figure FDA0002334535160000012
Sn＝±1，取m＝0时，为圆周系统，可完成硬件乘除运算；取m＝1时，为线性系统，可完成硬件三角函数和反三角函数运算；取m＝-1时，为双曲系统，可完成双曲正弦、双曲余弦、指数、对数及开方运算；
将CORDIC算法的统一结构由硬件实现，完成FOC算法中的CLARK变换、PARK变换以及逆PARK变换的硬件运算，具体为：
针对FOC算法中的CLARK变换
Figure FDA0002334535160000013
PARK变换
Figure FDA0002334535160000014
逆PARK变换
Figure FDA0002334535160000015
分别实现了硬件化。
2.根据权利要求1所述内置运放的MCU芯片在变频冰箱上的应用，用于变频冰箱的变频控制。
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基于Cordic的单相电机矢量控制;刘林雄;《电气传动自动化》;20120331;全文 *

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