简介：兆易创新是国内MCU系列产品的巨头公司。在他们的系列MCU设计解决方案中，他们与SKLOR有着广泛的合作。

采用GD32F130系列MCU设计冰箱压缩机变频板方案

冰箱压缩机变频方案概述

本文介绍的变频板可用于冰箱压缩机的变频控制，也可用于油烟机、空调的变频控制。该方案基于兆易创新的GD32F130系列MCU设计。该MCU搭载Cortex-M3内核，可通过软件实现PI控制、SVPWM发生器、电机状态观测器；先进的定时器可直接产生6路互补死区可调PWM，芯片满足工业级工作温度及ESD、EMI标准，非常适合PMSM、BLDC变频调速控制。

GD32F130系列MCU主要规格

Cortex-M3@48Mhz，50 MIPS处理性能；

闪存：64KB/32KB/16KB；

静态随机存储器：8KB/4KB/4KB；

高速高精度ADC，12Bits ADC x 1@2.6Msps，10通道；

高级定时器 x1，可生成 6 个互补 PWM 输出，死区时间可调。通用定时器x6；

Flash具有硬件加密保护；

多种串口通信方式：I2C x2、SPI x2、UART x2；

丰富的封装类型：TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

工业级工作温度范围：-40℃~+85℃；

工业级ESD特性：6000伏；

逆变板主要规格及参数

额定输出功率200W，母线电压310V，最大工作电流2A；

磁场定向方式，正弦波电流，无传感器启动与控制；

3 电阻电流采样；

逆变电路由6个功率MOSFET构成；

电机控制系统的控制框图如下：

中期行动计划的实施

如图系统框图所示，整个系统为双闭环控制，内环为电流控制环，外环为速度控制环。设转子磁通方向为d轴，q轴为d轴的正交轴，电流环的控制目的是使定子电流与磁通解耦，控制定子电流流向q轴。

对于SPM电机，我们将d轴的目标控制值id设置为0，并将定子上的所有电流控制到q轴，以获得每安培最大扭矩（MTPA）。此时，PMSM电机的扭矩和转速仅与q轴电流分量有关。然后我们通过速度控制环来控制d轴上的电流，实现双闭环控制。

实际工作中，由于SPM电机的结构并不理想，d轴上的实际电流不为0；同时，我们还会有目的地控制d轴上的电流，从而实现电机超过Base速度运行；这时，我们需要在d轴上添加弱磁控制器来保证MTPA的实现。 SPM电机运行时矢量图如下：

实施方便之法

PMSM电机实际接线中存在a、b、c三相电流。现在我们需要将a、b、c三相电流与D轴电流和Q轴电流连接起来。我们需要使用Clark和Park的两个数学变换：

? Clark变换：(a,b,c)→(α,β)，α、β为二相正交静止坐标系；

?Park变换：(α,β)→(D,Q)，D、Q为两相正交旋转坐标系，其中θ为转子磁通位置；

通过Clark和Park的两次数学变化，我们可以将PMSM电机的a、b、c三相电流分解为D轴和Q轴，从而实现磁场定向控制（FOC）。我们还可以发现，整个FOC控制的关键点就是找到转子的磁通位置θ。

SVPWM的实现

我们还可以利用 Park 逆变换将定子电流从 D、Q 空间转换到 α、β 空间。完成磁场定向后，PMSM电机控制的最后一步是产生作用于电机三相端子的PWM电压。根据三相逆变器的8种开关状态，我们可以列出空间矢量调制逆变器状态表：

其中，当A、B、C三相均为0、1时，为无效状态。我们将这两个状态向量放在空间的原点，剩下的6个向量状态U0→U300只是在空间中画一个正六边形。传统的6步控制电机的方法是将这6个电压矢量依次加到电机的定子端。

空间矢量调制（SVPWM）的目的是在矢量空间中形成360度等幅旋转电压矢量，从而减少逆变器输出的电流谐波分量，减小转矩脉动。 SVPWM的实现方法是利用两个相邻的基本电压矢量在矢量空间中合成旋转电压矢量Uout，Uout的最大值约为0.886*VDC。以第一象限为例，

其中，T1为一个PWM周期内电压矢量U0的作用时间，T2为一个PWM周期内电压矢量U60的作用时间，T0为零序分量的作用时间。

我们首先利用V_α和V_β的值来确定扇区扇区，然后根据三角函数和Vdc的值计算T1、T2和T0的值。

A=V_β；

B= 1.7320508*V_α-V_β；

C= -1.7320508*V_α-V_β;

if(A>= 0) {a= 1;} 否则 a= 0;

if(B>= 0) {b= 1;} 否则 b= 0;

if(C>= 0) {c= 1;} 否则 c= 0;

N=a+2*b+4*c；

开关(N)

{

情况 1：扇区 = 2；休息;

情况 2：扇区 = 6；休息;

情况 3：扇区 = 1；休息;

情况 4：扇区 = 4；休息;

情况 5：扇区 = 3；休息;

情况 6：扇区 = 5；休息;

默认：中断；

}

为了减少逆变器电路中MOSFET的开关时间，可以采用7段空间矢量合成方法，每个矢量扇区以零矢量（000）开始和结束，在矢量扇区中以零矢量（111）开始和结束。中间，其余时间使用有效向量。如下所示：

将SVPWM电压施加到PMSM电机的三相端子后，可以看到马鞍形的相电压波形，如下图所示：

转子角度观测器的实现

求出转子磁通的位置θ是FOC算法的关键，但在电机高速旋转的过程中，霍尔传感器的精度不足以准确求出转子磁通的位置θ 。在这种情况下，就需要转子角观测器。转子磁通的角度信息可以从反电动势获得。我们无法直接测量电机的反电动势，但可以通过观测器方法计算出反电动势的值。

选取观测电流与真实电流之间的误差值作为滑模控制面S，

如果滑模增益K足够大，我们可以找到一个滑模控制面S使得

滑模观测器的系统框图如下：

如果要保证滑模控制面S的稳定性，需要选择有效的K和l值，以保证

并且l值必须大于-1。最后，可以通过反正切函数计算出转子的角度θ。

GD32F130系列MCU可以轻松实现上述SVPWM发生器、Park/Clark变换、PI控制器和转子位置观测器。 MCU内置高速高精度SAR ADC和多级中断系统，可以保证闭环控制的实时性。

GD32F130冰箱变频板

正面图像

倒影