概述

冰箱制冷系统中最重要的部件是压缩机。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为整个制冷循环提供源动力。这样就实现了压缩→冷凝→膨胀→蒸发 ( 吸热 ) 的制冷循环。一般来说，压缩机由壳体、电动机、缸体、活塞、控制设备 ( 启动器和热保护器 ) 及冷却系统组成。

与普通冰箱相比，变频冰箱最显著的优点是提高制冷效率、节约电力、节约能源。另外，在能快速冷却的同时，还能保持温度波动范围较小，从而达到较好的冷藏保湿效果。压缩机转速的精准控制，压缩机无需频繁启停，噪音更小更安静。本文讨论了基于上海航芯ACM32G103的冰箱压缩机变频方案。

01、ACM32G103系列芯片规格介绍

• 采用M33内核，主频最高可达120MHz

• eFlash：320KB，加密存储，4KB I-Cache，4KB D-Cache，支持Flash加速0等待执行

• SRAM：64KB，其中后8KB在STOP2低功耗模式下可保持数据

• 2路12bits ADC，共19个外部通道，最高速率达3Msps，支持同步模式、加速采样、差分采样以及AUTO等功能

• 2个16位高级定时器，支持PWM输出/(6路)互补输出/死去插入/刹车/编码模式

• 通信接口丰富：4路UART、1路LPUART、3路SPI、2路I2C、2路I2S、2路CAN

• 封装类型丰富：

QFN32/QFN48/LQFP48/LQFP64(7X7)/LQFP64(10X10)/LQFP100

• ESD：4KV(HBM)

• 工作温度：-40°C~85°C

02、冰箱压缩机变频方案

注：ACM32G103系列支持OPA内部连接COMP和ADC

航芯冰箱压缩机变频方案以ACM32G103为主控，主要电力来源自电源转换，采用磁链观测器方式支持闭环全负载启动。

03、变频方案电机矢量控制

整个系统为闭环控制，内环为电流控制环路，外环为速度控制环路，电机本体方程如下：

04、FOC算法实现介绍

FOC算法基于磁链观测器

基于α-β坐标系下的PMSM数学模型如下：

α-β坐标系下电感表示如下：

对于SPM，数学模型可以简化为：

定义状态变量：

状态变量 y 实质就是反电势，对反电势积分可以得到磁链，那么对磁链的状态变量x微分则得到反电势。关系式如下：

为了构建非线性观测器，定义矢量函数：

矢量函数的模实质就是磁链幅值：

在对反电势进行积分获得磁链的过程中，最担心的就是直流偏置或积分漂移，常用高通滤波器、自适应补偿等方式来抑制这种负面因素。非线性模块的思路就是把估算的磁链的幅值与实际磁链幅值的差，作为估算的磁链分量的补偿项。关系式如下:

完成状态变量的观测器之后，就得到了磁链分量，改写如下：

通过观测的磁链分量就得到了观测的角度。

通过锁相环就可以得到速度和角度。

同时本算法为克服传统转速环系统跟随性差，动态响应场合差等问题，同时提出了自扰抗ADRC系统，如图所示。

传统转速环，在负载变化时或者调速时过冲严重，转速跟随性能差。ADRC系统转速跟随性能好，在动态负载场合好用。

结 语 

ACM32G103主频高，支持浮点运算和DSP，内置CORDIC，可以轻松实现上述的SVPWM产生器，Park/Clark变换，PI控制器，以及转子位置观测器。MCU内置的高速12位逼近型ADC和多级中断系统可以确保闭环控制的实时性。

冰箱压缩机变频技术，能避免无谓的能量消耗，省电节能；冰箱全天工作，采用变频技术后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机启动引起的噪声；变频技术控温精准、温度连续可调，变频冰箱对食材的保鲜效果更好。优势突出，变频冰箱市场普及率还远未达到行业预期，这片市场大有可为。

电池管理系统（BMS）通过监控电池的状态，智能化管理及维护各个电池单元，从而防止电池出现过充电和过放电。优质的电池管理系统能够最大限度地延长电池整体使用寿命，有效保障设备安全。

01、BMS电池管理概述

BMS，即电池管理系统（Battery Management System），随着锂电池的广泛应用，BMS作为锂电池的“保姆”也越来越被大众所关注。相较于传统电池，锂电池具有更好的能力密度，更高的工作电压，更低的放电率。但锂电池在面对过充、过放等问题时，相对脆弱。由于锂电池组在生产制造和使用过程中存在的差异性，会导致电池单体之间天然就存在着不一致性。这种不一致性主要表现在单体容量、内阻、自放电率、充放电效率等方面。单体的不一致，会进一步导致过充、过放等问题，进而造成电池寿命下降甚至死亡或损坏。

图1 | 容量不一致时充放电过程示意图

如图1所示，由于电池单体的差异，在充电时，低容量电池充电已饱和，而较大容量的电池电量未满，此时对于小容量单体来说，则处于过充状态。相反，放电时，较大容量的电池仍然处于放电状态，而小容量电池电量已空。有研究表明，单体电芯20%的容量差异，会带来超过40%的容量损失。

而BMS模块则是为避免该问题的出现而存在。BMS会实时监测单体的容量，并采用电池均衡手段来保证电池的正常工作。将不同容量的单体比作体积不同的水桶，而电池的电量好比是水桶中存留的水。充放电时，BMS会将快满的“水桶”里面的“水”转移到较空的“水桶”中，以此来保证整体电池电量的均衡，避免出现过充和过放的问题。如图2所示。

图2 | BMS电池均衡示意图

02、上海航芯BMS应用方案

上海航芯推出的BMS应用方案，采用ACM32F403/ACM32G103系列MCU作为主控芯片，最高工作频率可达180MHz/120MHz，内置最大512KB的eFlash和最大192KB SRAM，满足一般BMS算法库的需求。内置2Msps/3Msps采样率12位ADC，实现对电芯电压、电流、温度等信号的高频采样。具有USB/UART/CAN/SPI等多种通讯接口，足以应对大多数应用场合（如需要485通信的两轮电动车，需要CAN接口的新能源汽车等）。基于ACM32F403/ACM32G103的BMS方案结构示意图如下图所示：

图3 | BMS系统框图

ACM32F4/ACM32G1主控芯片，通过ADC对敏感信号进行采样，并依照BMS算法库计算得到当前电池的SOC、SOH等数据，执行均衡以及热管理控制，保证电池处于正常的工作状态。当出现问题时，支持在线警报同时给出LED指示信号。整个系统的运行参数可以通过CAN/USB/UART等接口进行上报。