Giới thiệu: Zhaoyi Innovation là một công ty khổng lồ về các sản phẩm dòng MCU trong nước. Trong chuỗi giải pháp thiết kế MCU, họ có sự hợp tác sâu rộng với SKLOR.

Sử dụng MCU dòng GD32F130 để thiết kế sơ đồ bo mạch biến tần máy nén tủ lạnh

Tổng quan về sơ đồ biến tần máy nén tủ lạnh

Bo mạch biến tần được giới thiệu trong bài viết này có thể được sử dụng để điều khiển biến tần cho máy nén tủ lạnh, cũng như điều khiển biến tần cho máy hút mùi và máy điều hòa không khí. Sơ đồ này dựa trên thiết kế MCU dòng GD32F130 của GigaDevice. MCU được trang bị lõi Cortex-M3, có thể thực hiện điều khiển PI, bộ tạo SVPWM và bộ quan sát trạng thái động cơ bằng phần mềm; bộ định thời tiên tiến có thể tạo trực tiếp 6 kênh PWM điều chỉnh vùng chết bổ sung. Chip này đáp ứng các tiêu chuẩn nhiệt độ hoạt động và ESD, EMI cấp công nghiệp, và rất phù hợp cho PMSM, điều khiển tốc độ biến thiên BLDC.

Thông số kỹ thuật chính của MCU dòng GD32F130

Cortex-M3@48Mhz, hiệu suất xử lý 50 MIPS;

Flash: 64KB/32KB/16KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

ADC tốc độ cao, độ chính xác cao, 12Bit ADC x 1@2.6Msps, 10 kênh;

Bộ hẹn giờ nâng cao x1, có thể tạo ra 6 đầu raPWM bổ sung với thời gian chết có thể điều chỉnh. hẹn giờ chung x6;

Flash có bảo vệ mã hóa phần cứng;

Các phương thức giao tiếp nối tiếp khác nhau: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Các loại gói phong phú: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Phạm vi nhiệt độ hoạt động cấp công nghiệp: -40oC ~ + 85oC;

Đặc tính ESD cấp công nghiệp: 6000 Volt;

Thông số kỹ thuật và thông số chính của bảng biến tần

Công suất đầu ra định mức 200W, điện áp bus 310V, dòng điện làm việc tối đa 2A;

Phương pháp định hướng từ trường, dòng điện hình sin, khởi động và điều khiển không cảm biến;

3 Lấy mẫu dòng điện trở;

Mạch biến tần được xây dựng bởi 6 MOSFET công suất;

Sơ đồ khối điều khiển của hệ thống điều khiển động cơ như sau:

Thực hiện MTPA

Như được hiển thị trong sơ đồ khối hệ thống, toàn bộ hệ thống là một vòng điều khiển khép kín kép, vòng trong là vòng điều khiển dòng điện và vòng ngoài là vòng điều khiển tốc độ. Đặt hướng từ thông rôto là trục d, trục q là trục trực giao của trục d, mục đích điều khiển của vòng dòng điện là tách dòng điện stato và từ thông, đồng thời điều khiển dòng điện stato đến trục q.

Đối với động cơ SPM, chúng tôi đặt id giá trị điều khiển mục tiêu của trục d thành 0 và điều khiển tất cả dòng điện trên stato đến trục q để đạt được Mô-men xoắn cực đại trên mỗi Ampe (MTPA). Tại thời điểm này, mô-men xoắn và tốc độ của động cơ PMSM chỉ liên quan đến thành phần hiện tại của trục q. Sau đó, chúng tôi điều khiển dòng điện trên trục d thông qua vòng điều khiển tốc độ để đạt được điều khiển vòng kín kép.

Trong công việc thực tế, do cấu trúc của động cơ SPM không lý tưởng nên dòng điện thực tế trên trục d không bằng 0; đồng thời, chúng tôi cũng sẽ điều khiển dòng điện trên trục d một cách có mục đích để đạt được động cơ vượt quá tốc độ vận hành cơ bản; tại thời điểm này, chúng ta cần thêm bộ điều khiển làm suy yếu trường vào trục d để đảm bảo thực hiện MTPA. Sơ đồ vector khi động cơ SPM đang chạy như sau:

Thực hiện FOC

Có a, b, c dòng điện ba pha trong hệ thống dây điện thực tế của động cơ PMSM. Bây giờ chúng ta cần kết nối dòng điện ba pha a, b và c với dòng điện trục D và dòng điện trục Q. Chúng ta cần sử dụng hai phép biến đổi toán học của Clark và Park:

? Phép biến đổi Clark: (a, b, c) → (α, β), α, β là hệ tọa độ dừng trực giao hai pha;

?Biến đổi Park: (α, β)→(D, Q), D, Q là hệ tọa độ quay trực giao hai pha, trong đó θ là vị trí từ thông của rotor;

Thông qua hai thay đổi toán học của Clark và Park, chúng ta có thể phân tách dòng điện ba pha a, b và c của động cơ PMSM thành trục D và trục Q, từ đó hiện thực hóa Điều khiển hướng trường (FOC). Chúng ta cũng có thể thấy rằng điểm mấu chốt của toàn bộ điều khiển FOC là tìm vị trí từ thông θ của rôto.

Triển khai SVPWM

Chúng ta cũng có thể sử dụng phép biến đổi Park nghịch đảo để chuyển đổi dòng điện stato từ không gian D, Q sang không gian α, β. Sau khi hoàn thành việc định hướng từ trường, bước cuối cùng của điều khiển động cơ PMSM là tạo ra điện ápPWM tác động lên các cực ba pha của động cơ. Theo 8 trạng thái chuyển mạch của biến tần ba pha, chúng ta có thể liệt kê bảng trạng thái biến tần điều chế vectơ không gian:

Trong số đó, khi ba pha A, B và C đều bằng 0 và 1 thì đó là trạng thái không hợp lệ. Chúng ta đặt hai vectơ trạng thái này ở gốc của không gian và 6 trạng thái vectơ còn lại U0→U300 chỉ cần vẽ một hình lục giác đều trong không gian. Phương pháp 6 bước truyền thống để điều khiển động cơ là lần lượt thêm 6 vectơ điện áp này vào đầu stato của động cơ.

Mục đích của điều chế vectơ không gian (SVPWM) là tạo thành vectơ điện áp quay có biên độ bằng nhau 360 độ trong không gian vectơ, từ đó làm giảm các thành phần hài dòng điện đầu ra của biến tần và giảm gợn sóng mô-men xoắn. Phương pháp triển khai SVPWM là sử dụng hai vectơ điện áp cơ bản liền kề để tổng hợp vectơ điện áp quay Uout trong không gian vectơ và giá trị tối đa của Uout là khoảng 0.886*VDC. Lấy góc phần tư thứ nhất làm ví dụ,

Trong số đó, T1 là thời gian hoạt động của vectơ điện áp U0 trong một chu kỳPWM, T2 là thời gian hoạt động của vectơ điện áp U60 trong một chu kỳPWM và T0 là thời gian hoạt động của thành phần chuỗi XNUMX.

Trước tiên, chúng tôi sử dụng các giá trị của V_α và V_β để xác định ngành, sau đó tính toán các giá trị T1, T2 và T0 theo hàm lượng giác và giá trị của Vdc.

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;

công tắc(N)

{

trường hợp 1: ngành = 2; phá vỡ;

trường hợp 2: ngành = 6; phá vỡ;

trường hợp 3: ngành = 1; phá vỡ;

trường hợp 4: ngành = 4; phá vỡ;

trường hợp 5: ngành = 3; phá vỡ;

trường hợp 6: ngành = 5; phá vỡ;

mặc định: nghỉ;

}

Để giảm thời gian chuyển mạch của MOSFET trong mạch biến tần, có thể sử dụng phương pháp tổng hợp vectơ không gian 7 đoạn, bắt đầu và kết thúc bằng vectơ 000 (111) trong mỗi cung vectơ, với vectơ XNUMX (XNUMX) trong ở giữa và thời gian còn lại với vectơ hợp lệ. Như được hiển thị bên dưới:

Sau khi điện áp SVPWM được cấp vào các cực ba pha của động cơ PMSM, có thể nhìn thấy dạng sóng điện áp pha hình yên ngựa, như trong hình sau:

Thực hiện quan sát góc rôto

Tìm vị trí θ của từ thông rôto là chìa khóa của thuật toán FOC, nhưng trong quá trình quay động cơ tốc độ cao, độ chính xác của cảm biến Hall không đủ để tìm chính xác vị trí θ của từ thông rôto . Trong trường hợp này, cần phải có thiết bị quan sát góc rôto. Thông tin góc của từ thông rôto có thể được lấy từ EMF phía sau. Chúng ta không thể đo trực tiếp EMF phía sau của động cơ, nhưng giá trị của EMF phía sau có thể được tính bằng phương pháp quan sát.

Giá trị sai số giữa dòng quan sát và dòng thực được chọn làm mặt điều khiển chế độ trượt S,

Nếu độ lợi chế độ trượt K đủ lớn, chúng ta có thể tìm được bề mặt điều khiển chế độ trượt S sao cho

Sơ đồ khối hệ thống của bộ quan sát chế độ trượt như sau:

Nếu muốn đảm bảo tính ổn định của bề mặt điều khiển chế độ trượt S thì cần chọn các giá trị K và l hiệu dụng để đảm bảo rằng

Và giá trị l phải lớn hơn -1. Cuối cùng, góc θ của rôto có thể được tính bằng hàm arctang.

MCU dòng GD32F130 có thể dễ dàng triển khai bộ tạo SVPWM, phép biến đổi Park/Clark, bộ điều khiển PI và bộ quan sát vị trí rôto nêu trên. Hệ thống ngắt đa cấp SAR tốc độ cao và độ chính xác cao tích hợp của MCU có thể đảm bảo hiệu suất thời gian thực của điều khiển vòng kín.

Bảng biến tần tủ lạnh GD32F130

hình ảnh phía trước

hình ảnh ngược