Введение: Zhaoyi Innovation — гигантская компания, производящая отечественные продукты серии MCU. В своих сериях проектных решений MCU они активно сотрудничают с SKLOR.

Использование микроконтроллера серии GD32F130 для разработки схемы инверторной платы компрессора холодильника.

Обзор инверторной схемы компрессора холодильника

Представленная в данной статье плата преобразователя частоты может использоваться для управления частотным преобразователем компрессоров холодильников, а также вытяжек и кондиционеров. Схема основана на микроконтроллере серии GD32F130 от GigaDevice. Микроконтроллер оснащён ядром Cortex-M3, которое реализует ПИ-регулирование, генератор импульсов с переменной частотой (SVPWM) и программный контроль состояния двигателя; усовершенствованный таймер может напрямую генерировать 6 каналов ШИМ с регулируемой зоной нечувствительности. Микросхема соответствует промышленным стандартам рабочей температуры, защиты от электростатических разрядов (ESD) и электромагнитных помех (EMI) и отлично подходит для управления частотой вращения PMSM и BLDC.

Основные характеристики микроконтроллера серии GD32F130

Cortex-M3 @ 48 МГц, производительность обработки 50 MIPS;

Флэш-память: 64 КБ/32 КБ/16 КБ;

Стационарное ОЗУ: 8 КБ/4 КБ/4 КБ;

Высокоскоростной высокоточный АЦП, 12 бит АЦП x 1 при 2.6 Мвыб./с, 10 каналов;

Усовершенствованный таймер x1, который может генерировать 6 дополнительных выходов ШИМ с регулируемым временем простоя. общий таймер х6;

Flash с аппаратной защитой шифрования;

Различные методы последовательной связи: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Богатые типы пакетов: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Диапазон рабочих температур промышленного класса: -40℃~+85℃;

Характеристики ESD промышленного класса: 6000 В;

Основные характеристики и параметры платы инвертора

Номинальная выходная мощность 200 Вт, напряжение шины 310 В, максимальный рабочий ток 2 А;

Метод, ориентированный на магнитное поле, синусоидальный ток, бездатчиковый запуск и управление;

3 Выборка тока резистора;

Схема инвертора состоит из 6 силовых МОП-транзисторов;

Структурная схема системы управления двигателем выглядит следующим образом:

Реализация MTPA

Как показано на структурной схеме системы, вся система представляет собой двойной замкнутый контур управления, внутренний контур представляет собой контур регулирования тока, а внешний контур представляет собой контур регулирования скорости. Установите направление магнитного потока ротора как ось d, ось q — это ортогональная ось оси d, цель управления токовой петлей — разъединить ток статора и магнитный поток и управлять током статора по оси q.

Для двигателя SPM мы устанавливаем идентификатор целевого управляющего значения по оси d равным 0 и контролируем весь ток на статоре по оси q, чтобы получить максимальный крутящий момент на ампер (MTPA). В это время крутящий момент и скорость двигателя PMSM связаны только с текущей составляющей оси q. Затем мы контролируем ток по оси d через контур регулирования скорости, чтобы добиться двойного управления с обратной связью.

В реальной работе, поскольку конструкция двигателя SPM не идеальна, фактический ток по оси d не равен 0; в то же время мы также будем целенаправленно контролировать ток по оси d, чтобы двигатель превышал базовую скорость; в настоящее время нам необходимо добавить контроллер ослабления поля к оси d, чтобы обеспечить реализацию MTPA. Векторная диаграмма при работе двигателя SPM выглядит следующим образом:

Реализация ФОК

В реальной проводке двигателя с постоянными магнитами (PMSM) присутствуют трехфазные токи a, b, c. Теперь нам нужно соединить трехфазные токи a, b и c с током оси D и током оси Q. Нам нужно использовать два математических преобразования Кларка и Парка:

Преобразование Кларка: (a, b, c) → (α, β), α, β — двухфазные ортогональные стационарные системы координат;

?Преобразование Парка: (α, β)→(D, Q), D, Q — двухфазная ортогональная вращающаяся система координат, где θ — положение магнитного потока ротора;

С помощью двух математических изменений Кларка и Парка мы можем разложить трехфазные токи a, b и c двигателя с постоянными магнитами на оси D и ось Q, тем самым реализуя полеориентированное управление (FOC). Мы также можем обнаружить, что ключевым моментом всего управления FOC является определение положения магнитного потока θ ротора.

Реализация SVPWM

Мы также можем использовать обратное преобразование Парка для преобразования тока статора из пространства D, Q в пространство α, β. После завершения ориентации магнитного поля последним этапом управления двигателем с ШИМ является генерация напряжения ШИМ, действующего на трехфазные клеммы двигателя. В соответствии с 8 состояниями переключения трехфазного инвертора мы можем перечислить таблицу состояний инвертора с пространственно-векторной модуляцией:

Среди них, когда все три фазы A, B и C равны 0 и 1, это недопустимое состояние. Мы помещаем эти два вектора состояний в начало пространства, а оставшиеся 6 векторных состояний U0→U300 просто рисуют в пространстве правильный шестиугольник. Традиционный 6-ступенчатый метод управления двигателем заключается в последовательном добавлении этих 6 векторов напряжения к концу статора двигателя.

Целью пространственно-векторной модуляции (SVPWM) является формирование вращающегося на 360 градусов вектора напряжения с одинаковой амплитудой в векторном пространстве, тем самым уменьшая гармонические составляющие тока, выдаваемые инвертором, и уменьшая пульсации крутящего момента. Метод реализации SVPWM заключается в использовании двух соседних базовых векторов напряжения для синтеза вращающегося вектора напряжения Uout в векторном пространстве, а максимальное значение Uout составляет около 0.886*В постоянного тока. На примере первого квадранта:

Среди них Т1 — время действия вектора напряжения U0 в одном цикле ШИМ, Т2 — время действия вектора напряжения U60 в одном цикле ШИМ и Т0 — время действия составляющей нулевой последовательности.

Сначала мы используем значения V_α и V_β для определения сектора сектора, а затем вычисляем значения T1, T2 и T0 согласно тригонометрической функции и значению Vdc.

А= V_β;

В= 1.7320508*V_α-V_β;

С= -1.7320508*V_α-V_β;

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

если(B>= 0) {b= 1;} else b= 0;

если(C>= 0) {c= 1;} else c= 0;

Н=а+2*b+4*с;

переключатель (Н)

{

случай 1: сектор = 2; перерыв;

случай 2: сектор = 6; перерыв;

случай 3: сектор = 1; перерыв;

случай 4: сектор = 4; перерыв;

случай 5: сектор = 3; перерыв;

случай 6: сектор = 5; перерыв;

по умолчанию: перерыв;

}

Для уменьшения времени переключения МОП-транзисторов в схеме инвертора можно использовать метод 7-сегментного пространственного векторного синтеза, начинающийся и заканчивающийся нулевым вектором (000) в каждом векторном секторе, нулевым вектором (111) в середина и остальное время с действительным вектором. Как показано ниже:

После подачи напряжения SVPWM на трехфазные клеммы двигателя с постоянными магнитами (PMSM) можно увидеть седловидную форму сигнала фазного напряжения, как показано на следующем рисунке:

Реализация Rotor Angle Observer

Нахождение положения θ магнитного потока ротора является ключом к алгоритму ВОК, но в процессе высокоскоростного вращения двигателя точность датчика Холла недостаточна для точного нахождения положения θ магнитного потока ротора. . В этом случае требуется наблюдатель угла ротора. Информацию об угле магнитного потока ротора можно получить из обратной ЭДС. Мы не можем напрямую измерить противо-ЭДС двигателя, но значение противо-ЭДС можно рассчитать методом наблюдателя.

Величина ошибки между током наблюдателя и реальным током выбирается в качестве поверхности управления S скользящего режима,

Если коэффициент усиления скользящего режима K достаточно велик, мы можем найти поверхность управления скользящим режимом S такую, что

Системная блок-схема наблюдателя скользящего режима выглядит следующим образом:

Если мы хотим обеспечить устойчивость поверхности управления S режима скольжения, нам необходимо выбрать эффективные значения K и l, чтобы гарантировать, что

И значение l должно быть больше -1. Наконец, угол θ ротора можно рассчитать с помощью функции арктангенса.

Микроконтроллер серии GD32F130 может легко реализовать вышеупомянутый генератор SVPWM, преобразование Парка/Кларка, ПИ-регулятор и наблюдатель положения ротора. Встроенный высокоскоростной и высокоточный АЦП SAR и многоуровневая система прерываний микроконтроллера могут обеспечить выполнение управления с обратной связью в реальном времени.

GD32F130 Инверторная плата холодильника

переднее изображение

обратное изображение