Zhaoyi Innovationは国内MCUシリーズ製品の巨大企業です。一連の MCU 設計スキームにおいて、同社は Sklor と広範な協力を行っています。

SAW MOSFETとZhaoyiの革新的なMCU設計スキームの連携に関するケーススタディ（1）

GD32F130 MCUを使用した冷蔵庫コンプレッサー用周波数変換ボードの設計

冷蔵庫用コンプレッサーの周波数変換方式の概要

本稿で紹介した周波数変換ボードは、レンジフードやエアコンファンのほか、冷蔵庫のコンプレッサーの周波数変換制御にも使用できます。 このスキームは、Zhaoyi による革新的な GigaDevice の GD32F130 シリーズ MCU 設計に基づいています。 MCUにはソフトウェアによるPI制御を実現できるCortex-M3コア、SVPWMジェネレーター、モーターステートオブザーバーを搭載しています。 高度なタイマーは、6 チャネルの相補デッドゾーン調整可能な PWM を直接生成でき、チップは産業用動作温度および ESD、EMI 標準を満たしており、PMSM および BLDC 周波数制御に非常に適しています。

GD32F130シリーズMCUの主な仕様

Cortex-M3@48Mhz、50 MIPS 処理性能。

フラッシュ：64KB/32KB/16KB;

SRAM：8KB/4KB/4KB;

高速かつ高精度 ADC、12 ビット ADC x 1@2.6Msps、10 チャンネル。アドバンスト タイマー x1 は、調整可能なデッド ゾーンを備えた 6 つの相補 PWM 出力を生成できます。 一般タイマー x6;

フラッシュハードウェア暗号化保護機能付き。

複数のシリアル通信モード: I2C x2、SPI x2、UART x2。

豊富なパッケージタイプ: tssop20/qfn28/qfn32/lqfp32/lqfp48/lqfp64工業用使用温度範囲: -40℃~+85℃。産業用 ESD 特性: 6000 ボルト;

周波数変換基板の主な仕様パラメータ定格電力は 200W、バス電圧は 310V、最大動作電流は 2A です。

磁界配向法、正弦波電流、センサーレス起動および制御。3 抵抗電流サンプリング。インバータ回路は6つのパワーMOSFETで構成されています。モータ制御システムの制御ブロック図は以下のとおりです。

MTPAの導入

システムブロック図に示すように、システム全体は二重閉ループ制御であり、内側のループが電流制御ループ、外側のループが速度制御ループです。 ローター磁束方向をd軸とし、d軸と直交する軸をq軸とします。電流ループの制御目的は、固定子電流と磁束を切り離し、固定子電流を q 軸に制御することです。

SPM モータの場合、d 軸の目標制御量 id を 0 に設定し、固定子のすべての電流を q 軸に制御して、アンペアあたりの最大トルク (MTPA) を求めます。 現時点では、PMSM モーターのトルクと速度は q 軸の電流成分にのみ関係しており、速度制御ループを通じて d 軸の電流を制御して二重閉ループ制御を実現します。

実際の作業では、SPM モータの構造が理想的ではないため、実際の d 軸の電流はゼロになりません。 同時に、d 軸の電流を意図的に制御して、ベース速度を超えてモーターが動作するようにします。 この時点で、MTPA を確実に実現するには、d 軸に弱い磁気コントローラーを追加する必要があります。 SPM モーターの動作のベクトル図は次のとおりです。

FOCの実施

PMSMモータの実際の配線には三相電流A、B、Cが存在します。ここで、三相電流 A、B、C を D 軸電流と Q 軸電流に関連付ける必要があり、Clark と Park の 2 つの数学的変換を使用する必要があります。

クラーク変換: (a, b, c)→(α, β)、α、βは2つの直交静的座標系です。

パーク変換：（α、β）→（D、Q）、D、Qは2相直交回転座標系、θはローター磁束位置である。

Clark と Park の 2 つの数学的変更により、PMSM モーター A、B、C の三相電流を D 軸と Q 軸に分解し、界磁指向制御 (FOC) を実現できます。 また、FOC 制御全体のキーポイントは、ロータの磁束位置 θ を求めることにあることがわかります。

SVPWMの実装

逆パーク変換を使用して、固定子電流を D、Q 空間から α、β 空間に変換することもできます。磁界の方向付けが完了した後、PMSM モーター制御の最後のステップは、モーターの三相端子に作用する PWM 電圧を生成することです。 三相インバータの 8 つのスイッチング状態に従って、空間ベクトル変調インバータの状態テーブルをリストできます。

このうち、A、B、C の 0 相がすべて 1、0 の場合は無効となります。これら 300 つの状態ベクトルを空間の原点に配置し、他の XNUMX つのベクトル状態 UXNUMX→UXNUMX は空間に正六角形を描くだけです。 従来の 6 ステップ制御モーターは、これら 6 つの電圧ベクトルをモーターのステーターに順番に追加します。

空間ベクトル変調 (SVPWM) の目的は、ベクトル空間内で 360 度定振幅の回転電圧ベクトルを形成し、インバータ出力の電流高調波成分とトルク リップルを低減することです。 SVPWM の実現方法は、0.886 つの隣接する基本電圧ベクトルを使用してベクトル空間で回転電圧ベクトル Uout を合成することであり、Uout の最大値は約 XNUMX*VDC です。 第 1 象限を例に挙げると、

T1 は PWM 周期における電圧ベクトル U0 の動作時間、T2 は PWM 周期における電圧ベクトル U60 の動作時間、T0 は XNUMX 次成分の動作時間です。

まず、V_α と V_β の値を使用してセクター セクターを決定し、次に三角関数と Vdc に従って T1、T2、T0 の値を計算します。

A= V_β;

B= 1.7320508*V_α-V_β;

C= -1.7320508*V_α-V_β;

if(A>= 0) {a= 1;} else a= 0;

if(B>= 0) {b= 1;} else b= 0;

if(C>= 0) {c= 1;} else c= 0;

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

スイッチ(N)

{

ケース 1: セクター = 2;壊す;

ケース 2: セクター = 6;壊す;

ケース 3: セクター = 1;壊す;

ケース 4: セクター = 4;壊す;

ケース 5: セクター = 3;壊す;

ケース 6: セクター = 5;壊す;

デフォルト: ブレーク;

}

インバータ回路の MOSFET のスイッチング時間を短縮するために、各ベクトルセクターでゼロベクトル (7) で開始および終了し、中央にゼロベクトル (000)、残りの時間に有効ベクトルを使用する 111 セグメント空間ベクトル合成法を使用できます。 下の図に示すように：

SVPWM 電圧が PMSM モーターの三相端子に印加されると、次の図に示すように、鞍型の相電圧波形が見られます。

ローター角度オブザーバーの実現

ローター磁束位置 θ を見つけることが FOC アルゴリズムの鍵です。しかし、モータが高速回転する過程では、ホールセンサの精度が低く、ロータ磁束位置θを正確に求めることができません。この時、ローター角度オブザーバーが必要となります。 回転子磁束の角度情報は逆起電力から取得できます。モーターの逆起電力を直接測定することはできませんが、オブザーバー法を使用して逆起電力の値を計算することができます。

スライディング モード ゲイン K が十分に大きい場合、スライディング モード制御面 S を見つけることができます。

スライディングモードオブザーバーのシステムブロック図は次のとおりです。

スライディング モード制御面 S の安定性を確保したい場合は、次のことが保証されるように K と L の実効値を選択する必要があります。

また、l の値は -1 より大きくなければなりません。 ローターの最終的な角度 θ は、逆正接関数によって計算できます。

GD32F130 シリーズ MCU は、前述の SVPWM ジェネレーター、パーク/クラーク変換、PI コントローラー、ローター位置オブザーバーを簡単に実現できます。 内蔵の高速かつ高精度の SAR ADC と MCU のマルチレベル割り込みシステムにより、閉ループ制御のリアルタイム性能を保証できます。

GD32F130 冷蔵庫用周波数変換ボード

正面写真

ネガ画像

Zhaoyi Innovation（www.bjzycxkjgf.dayinmao.com）のGD32シリーズの32ビットMCUに焦点を当て、SAKO MicroのMOS FET SLKOR (www.slkormicro.com) は、モーターの駆動、静電気防止、周辺回路のサージ放電を担う TVS や ESD チューブなどのこの種の方式に広く使用されています。 Sawei Technology Co., Ltd.（http://www.slkormicro.com）は2005年に設立されました。XNUMX年以上にわたり、「テクノロジーによる価値創造」という理念を堅持し、主にシリコンカーバイド、SiCシリコンカーバイドダイオード、SiCシリコンカーバイドMOSチューブ、IGBTシングルチューブの研究開発と製造を行っています。 高電圧および低電圧 MOS チューブ、ChinaMOS、COOL MOS チューブ、電源管理 IC、ホール ホール素子 SL2301SL SL3401SH SL3904SH、サイリスタ、高速回復ダイオード、ダイオードなどのシリーズ 13、50、1603、1613n1615 製品は、KingHelm (WWW.BDS666.COM) WiFi アンテナ、GPS アンテナ、Beidou アンテナ、TWS Bluetooth ヘッドセット セラミック アンテナとも組み合わせることができます。 主に新エネルギー自動車、インテリジェントロボット、インバーター、電動工具、パワーエレクトロニクス、スイッチング電源、屋外照明電源、家庭用電化製品、PD急速充電、TWS Bluetoothヘッドセットなどの分野で使用されています。

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