הקדמה: Zhaoyi Innovation היא חברת ענק של מוצרי סדרת MCU מקומיים. בסדרת פתרונות העיצוב של MCU שלהם, יש להם שיתוף פעולה נרחב עם SKLOR.

שימוש ב-MCU מסדרת GD32F130 לתכנון לוח מהפך של מדחס מקרר

סקירה כללית של ערכת מהפך מדחס מקרר

לוח המרת התדר המוצג במאמר זה יכול לשמש לבקרת המרת תדר של מדחסי מקררים, ויכול לשמש גם לבקרת המרת תדר של קולטי אדים ומזגנים. הסכימה מבוססת על עיצוב המיקרו-בקר מסדרת GD32F130 של GigaDevice. המיקרו-בקר מצויד בליבת Cortex-M3, שיכולה לממש בקרת PI, מחולל SVPWM וצופה מצב מנוע באמצעות תוכנה; טיימר מתקדם יכול לייצר ישירות 6 ערוצים של PWM מתכוונן משלים של אזור מת. השבב עומד בתקני טמפרטורת פעולה, ESD ו-EMI ברמה תעשייתית, ומתאים מאוד לבקרת מהירות תדר משתנה PMSM ו-BLDC.

מפרט ראשי של MCU מסדרת GD32F130

Cortex-M3@48Mhz, ביצועי עיבוד של 50 MIPS;

פלאש: 64KB/32KB/16KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

ADC מהיר ברמת דיוק גבוהה, 12Bits ADC x 1@2.6Msps, 10 ערוצים;

טיימר מתקדם x1, שיכול ליצור 6 יציאות PWM משלימות עם זמן מת מתכוונן. טיימר כללי x6;

פלאש עם הגנת הצפנת חומרה;

שיטות תקשורת טוריות שונות: I2C x2, SPI x2, UART x2;

סוגי חבילות עשירות: TSSOP20/QFN28/QFN32/LQFP32/LQFP48/LQFP64

טווח טמפרטורת הפעלה בדרגה תעשייתית: -40 ℃ ~ + 85 ℃;

מאפייני ESD ברמה תעשייתית: 6000 וולט;

מפרטים ופרמטרים עיקריים של לוח המהפך

הספק מוצא מדורג 200W, מתח אוטובוס 310V, זרם עבודה מרבי 2A;

שיטה מכוונת שדה מגנטי, זרם גלי סינוס, הפעלה ובקרה ללא חיישנים;

3 דגימת זרם נגד;

מעגל הממיר בנוי על ידי 6 טרנזיסטורי MOSFET של הספק;

דיאגרמת בלוק הבקרה של מערכת בקרת המנוע היא כדלקמן:

יישום MTPA

כפי שמוצג בתרשים בלוקים של המערכת, המערכת כולה היא בקרת לולאה סגורה כפולה, הלולאה הפנימית היא לולאת בקרה זרם, והלולאה החיצונית היא לולאת בקרת מהירות. הגדר את כיוון השטף המגנטי של הרוטור כציר d, ציר q הוא הציר האורתוגונלי של ציר d, מטרת הבקרה של לולאת הזרם היא לנתק את זרם הסטטור והשטף המגנטי, ולשלוט בזרם הסטטור לציר q.

עבור מנוע SPM, אנו מגדירים את ערך בקרת היעד מזהה של ציר d ל-0, ושולטים בכל הזרם על הסטטור לציר ה-q כדי לקבל את המומנט המרבי לאמפר (MTPA). בשלב זה, המומנט והמהירות של מנוע ה-PMSM קשורים רק לרכיב הנוכחי של ציר ה-q. לאחר מכן אנו שולטים בזרם על ציר ה-D דרך לולאת בקרת המהירות כדי להשיג שליטה כפולה בלולאה סגורה.

בעבודה בפועל, מכיוון שמבנה מנוע SPM אינו אידיאלי, הזרם בפועל על ציר ה-D אינו 0; במקביל, נשלוט בכוונה גם בזרם בציר ה-D, כדי להשיג את פעולת המנוע העולה על מהירות הבסיס; בשלב זה, עלינו להוסיף בקר להחלשת שדה לציר ה-D כדי להבטיח את מימוש ה-MTPA. הדיאגרמה הווקטורית כאשר מנוע SPM פועל הוא כדלקמן:

יישום FOC

ישנם זרמים תלת פאזיים a, b, c בחיווט בפועל של מנוע PMSM. כעת עלינו לחבר את הזרמים התלת פאזיים a, b ו-c עם זרם ציר D וזרם ציר Q. עלינו להשתמש בשתי התמורות המתמטיות של קלארק ופארק:

? טרנספורמציית קלארק: (a, b, c) → (α, β), α, β הן מערכות קואורדינטות סטציונריות אורתוגונליות דו-פאזיות;

טרנספורמציה של פארק: (α, β)→(D, Q), D, Q היא מערכת קואורדינטות מסתובבת אורתוגונלית דו-פאזית, כאשר θ הוא מיקום השטף המגנטי של הרוטור;

באמצעות שני השינויים המתמטיים של קלארק ופארק, נוכל לפרק את הזרמים התלת פאזיים a, b ו-c של מנוע PMSM לציר D וציר Q, ובכך לממש בקרה מכוונת שדה (FOC). אנו יכולים גם לגלות שנקודת המפתח של כל בקרת ה-FOC היא למצוא את מיקום השטף המגנטי θ של הרוטור.

הטמעת SVPWM

אנו יכולים גם להשתמש בטרנספורמציה של הפארק ההפוכה כדי להמיר את זרם הסטטור מרווח D, Q למרחב α, β. לאחר השלמת כיוון השדה המגנטי, השלב האחרון של בקרת מנוע PMSM הוא יצירת מתח PWM הפועל על המסופים התלת פאזיים של המנוע. על פי 8 מצבי המיתוג של המהפך התלת פאזי, נוכל לרשום את טבלת מצבי מהפך וקטור אפנון החלל:

ביניהם, כאשר שלושת השלבים של A, B ו-C כולם 0 ו-1, זהו מצב לא חוקי. אנו מציבים את שני וקטורי המצבים הללו במקור המרחב, ו-6 מצבי הווקטור הנותרים U0→U300 פשוט מציירים משושה רגילה במרחב. השיטה המסורתית בת 6 השלבים לשליטה במנוע היא להוסיף את 6 וקטורי המתח הללו לקצה הסטטור של המנוע בתורו.

מטרת אפנון וקטור החלל (SVPWM) היא ליצור וקטור מתח מסתובב שווה-משרעת של 360 מעלות במרחב הווקטור, ובכך להפחית את הרכיבים ההרמוניים הנוכחיים שיוצאים על ידי המהפך ולהפחית את אדוות המומנט. שיטת היישום של SVPWM היא להשתמש בשני וקטורי מתח בסיסיים צמודים כדי לסנתז את וקטור המתח המסתובב במרחב הווקטורי, והערך המרבי של Uout הוא בערך 0.886*VDC. אם לוקחים את הרביע הראשון כדוגמה,

ביניהם, T1 הוא זמן הפעולה של וקטור המתח U0 במחזור PWM אחד, T2 הוא זמן הפעולה של וקטור המתח U60 במחזור PWM אחד, ו- T0 הוא זמן הפעולה של רכיב רצף האפס.

תחילה אנו משתמשים בערכים של V_α ו-V_β כדי לקבוע את סקטור הסקטור, ולאחר מכן מחשבים את הערכים של T1, T2 ו-T0 לפי הפונקציה הטריגונומטרית והערך של Vdc.

A= V_β;

B= 1.7320508*V_α-V_β;

C= -1.7320508*V_α-V_β;

if(A>= 0) {a= 1;} אחרת a=0;

if(B>= 0) {b= 1;} אחרת b=0;

if(C>= 0) {c= 1;} אחרת c= 0;

N=a+2*b+4*c;

מתג (N)

{

מקרה 1: מגזר = 2; לשבור;

מקרה 2: מגזר = 6; לשבור;

מקרה 3: מגזר = 1; לשבור;

מקרה 4: מגזר = 4; לשבור;

מקרה 5: מגזר = 3; לשבור;

מקרה 6: מגזר = 5; לשבור;

ברירת מחדל: break;

}

על מנת להפחית את זמני המיתוג של טרנזיסטורי MOSFET במעגל הממיר, ניתן להשתמש בשיטת סינתזה של וקטורי מרחב בת 7 מקטעים, המתחילה ומסתיימת בוקטור אפס (000) בכל מקטע וקטורי, עם וקטור אפס (111) באמצע, ובשאר הזמן עם וקטור תקף. כפי שמוצג להלן:

לאחר הפעלת מתח SVPWM על המסופים התלת-פאזיים של מנוע ה-PMSM, ניתן לראות את צורת גל הפאזה בצורת אוכף, כפי שמוצג באיור הבא:

יישום ה-Rotor Angle Observer

מציאת המיקום θ של השטף המגנטי של הרוטור הוא המפתח לאלגוריתם ה-FOC, אך בתהליך של סיבוב מהיר של המנוע, הדיוק של חיישן הול אינו מספיק כדי למצוא במדויק את המיקום θ של השטף המגנטי של הרוטור . במקרה זה, נדרש צופה זווית הרוטור. ניתן לקבל את מידע הזווית של השטף המגנטי של הרוטור מה-EMF האחורי. איננו יכולים למדוד ישירות את EMF האחורי של המנוע, אך ניתן לחשב את הערך של EMF האחורי בשיטת הצופה.

ערך השגיאה בין זרם הצופה לזרם האמיתי נבחר כמשטח בקרת מצב הזזה S,

אם רווח מצב הזזה K גדול מספיק, נוכל למצוא משטח בקרת מצב הזזה S כזה

דיאגרמת בלוק המערכת של הצופה במצב הזזה היא כדלקמן:

אם ברצוננו להבטיח את היציבות של משטח בקרת מצב ההזזה S, עלינו לבחור ערכי K ו-l יעילים כדי להבטיח

וערך l חייב להיות גדול מ-1. לבסוף, ניתן לחשב את הזווית θ של הרוטור על ידי הפונקציה הארקטנגנטית.

MCU מסדרת GD32F130 יכול ליישם בקלות את מחולל SVPWM שהוזכר לעיל, טרנספורמציה של Park/Clark, בקר PI וצופה במיקום הרוטור. מערכת ה-SAR ADC המובנית במהירות גבוהה ובדיוק גבוה ומערכת הפסיקה מרובת רמות של ה-MCU יכולה להבטיח את הביצועים בזמן אמת של בקרת לולאה סגורה.

לוח אינוורטר GD32F130 למקרר

תמונה קדמית

תמונה לאחור