Úvod: Zhaoyi Innovation je obří společnost domácích produktů řady MCU. Ve své řadě konstrukčních řešení MCU mají rozsáhlou spolupráci se společností SKLOR.

Použití MCU řady GD32F130 k návrhu schématu desky invertoru kompresoru chladničky

Přehled schématu střídače kompresoru chladničky

Deska frekvenčního měniče představená v tomto článku může být použita pro řízení frekvenční konverze kompresorů chladniček a může být také použita pro řízení frekvenční konverze odsavačů par a klimatizací. Schéma je založeno na designu MCU GigaDevice řady GD32F130. MCU je vybaveno jádrem Cortex-M3, které může softwarově realizovat PI řízení, generátor SVPWM a pozorovatel stavu motoru; Pokročilý časovač může přímo generovat 6 kanálů doplňkového PWM s nastavitelným mrtvou zónou, Čip splňuje provozní teplotu průmyslové třídy a ESD, standardy EMI a je velmi vhodný pro PMSM, BLDC řízení rychlosti s proměnnou frekvencí.

Hlavní specifikace MCU řady GD32F130

Cortex-M3 @ 48 MHz, výkon zpracování 50 MIPS;

Flash: 64KB/32KB/16KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

Vysokorychlostní vysoce přesný ADC, 12 bitů ADC x 1 @ 2.6 Msps, 10 kanálů;

Pokročilý časovač x1, který dokáže generovat 6 doplňkových PWM výstupů s nastavitelnou mrtvou dobou. obecný časovač x6;

Flash s ochranou hardwarovým šifrováním;

Různé způsoby sériové komunikace: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Bohaté typy balíčků: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Rozsah provozních teplot průmyslové třídy: -40℃~+85℃;

Průmyslová třída ESD charakteristiky: 6000 Volt;

Hlavní specifikace a parametry invertorové desky

Jmenovitý výstupní výkon 200W, napětí sběrnice 310V, maximální pracovní proud 2A;

Metoda orientovaná na magnetické pole, sinusový proud, bezsenzorový start a řízení;

3 Vzorkování proudu rezistoru;

Obvod invertoru je tvořen 6 Power MOSFETs;

Blokové schéma řízení systému řízení motoru je následující:

Implementace MTPA

Jak je znázorněno na blokovém schématu systému, celý systém je dvojité řízení s uzavřenou smyčkou, vnitřní smyčka je smyčka řízení proudu a vnější smyčka je smyčka řízení rychlosti. Nastavte směr magnetického toku rotoru jako osu d, osa q je ortogonální osa osy d, účelem řízení proudové smyčky je oddělit statorový proud a magnetický tok a řídit proud statoru k ose q.

U motoru SPM nastavíme cílovou řídicí hodnotu id osy d na 0 a řídíme veškerý proud na statoru k ose q, abychom získali maximální točivý moment na ampér (MTPA). V tomto okamžiku se točivý moment a otáčky motoru PMSM vztahují pouze k aktuální složce osy q. Poté regulujeme proud na ose d prostřednictvím regulační smyčky rychlosti, abychom dosáhli dvojitého řízení s uzavřenou smyčkou.

Ve skutečné práci, protože struktura motoru SPM není ideální, skutečný proud na ose d není 0; zároveň budeme cíleně řídit i proud na ose d tak, abychom dosáhli chodu motoru překračujícího základní otáčky; v tuto chvíli potřebujeme k ose d přidat regulátor zeslabení pole, abychom zajistili realizaci MTPA. Vektorový diagram, když motor SPM běží, je následující:

Implementace FOC

Ve skutečném zapojení motoru PMSM jsou třífázové proudy a, b, c. Nyní potřebujeme propojit třífázové proudy a, b a c s proudem v ose D a proudem v ose Q. Musíme použít dvě matematické transformace Clarka a Parka:

• Clarkova transformace: (a, b, c) → (α, β), α, β jsou dvoufázové ortogonální stacionární souřadnicové systémy;

•Parkova transformace: (α, β)→(D, Q), D, Q je dvoufázový ortogonální rotační souřadnicový systém, kde θ je poloha magnetického toku rotoru;

Prostřednictvím dvou matematických změn Clarka a Parka můžeme rozložit a, b a c třífázové proudy motoru PMSM na osu D a osu Q, a tím realizovat Field Oriented Control (FOC). Můžeme také zjistit, že klíčovým bodem celého řízení FOC je nalezení polohy magnetického toku θ rotoru.

Implementace SVPWM

Můžeme také použít inverzní Parkovu transformaci k převodu proudu statoru z prostoru D, Q na prostor α, β. Po dokončení orientace magnetického pole je posledním krokem řízení motoru PMSM generování PWM napětí působícího na třífázové svorky motoru. Podle 8 spínacích stavů třífázového měniče můžeme uvést tabulku stavů měniče s prostorovou vektorovou modulací:

Mezi nimi, když jsou všechny tři fáze A, B a C 0 a 1, je to neplatný stav. Tyto dva stavové vektory umístíme na počátek prostoru a zbývajících 6 vektorových stavů U0→U300 pouze nakreslí do prostoru pravidelný šestiúhelník. Tradiční 6-kroková metoda pro řízení motoru je přidat těchto 6 vektorů napětí postupně na konec statoru motoru.

Účelem prostorové vektorové modulace (SVPWM) je vytvořit 360stupňový rotační vektor napětí se stejnou amplitudou ve vektorovém prostoru, čímž se sníží výstupní harmonické složky proudu z měniče a sníží se zvlnění točivého momentu. Metodou implementace SVPWM je použití dvou sousedních základních napěťových vektorů pro syntézu rotačního vektoru napětí Uout ve vektorovém prostoru a maximální hodnota Uout je asi 0.886*VDC. Vezmeme-li jako příklad první kvadrant,

Mezi nimi je T1 doba působení vektoru napětí U0 v jednom cyklu PWM, T2 je doba působení vektoru napětí U60 v jednom cyklu PWM a T0 je doba působení složky nulové složky.

Nejprve použijeme hodnoty V_α a V_β k určení sektorového sektoru a poté vypočteme hodnoty T1, T2 a T0 podle goniometrické funkce a hodnoty Vdc.

A = V_p;

B= 1.7320508*V_a-V_p;

C= -1.7320508*V_a-V_p;

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

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

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

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

přepínač (N)

{

případ 1: sektor = 2; přestávka;

případ 2: sektor = 6; přestávka;

případ 3: sektor = 1; přestávka;

případ 4: sektor = 4; přestávka;

případ 5: sektor = 3; přestávka;

případ 6: sektor = 5; přestávka;

výchozí: break;

}

Aby se zkrátily spínací časy MOSFETv invertorovém obvodu lze použít 7segmentovou metodu syntézy prostorových vektorů, počínaje a končící nulovým vektorem (000) v každém vektorovém sektoru, s nulovým vektorem (111) uprostřed a po zbytek času s platným vektorem. Jak je ukázáno níže:

Po přivedení napětí SVPWM na třífázové svorky motoru PMSM lze vidět průběh fázového napětí ve tvaru sedla, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Implementace Rotor Angle Observer

Nalezení polohy θ magnetického toku rotoru je klíčem k algoritmu FOC, ale v procesu vysokorychlostní rotace motoru přesnost Hallova senzoru nestačí k přesnému nalezení polohy θ magnetického toku rotoru. . V tomto případě je nutný pozorovatel úhlu rotoru. Informace o úhlu magnetického toku rotoru lze získat ze zadního EMF. Nemůžeme přímo změřit zadní EMF motoru, ale hodnotu zpětného EMF lze vypočítat metodou pozorovatele.

Hodnota chyby mezi proudem pozorovatele a skutečným proudem je zvolena jako řídicí plocha s klouzavým režimem S,

Pokud je zisk klouzavého režimu K dostatečně velký, můžeme najít ovládací plochu klouzavého režimu S takovou, že

Systémové blokové schéma pozorovatele klouzavého režimu je následující:

Pokud chceme zajistit stabilitu řídicí plochy s klouzavým režimem S, musíme zvolit efektivní hodnoty K a l, abychom zajistili, že

A hodnota l musí být větší než -1. Nakonec lze úhel θ rotoru vypočítat pomocí funkce arkustangens.

MCU řady GD32F130 může snadno implementovat výše zmíněný generátor SVPWM, Park/Clark transformaci, PI regulátor a pozorovatel polohy rotoru. Vestavěný vysokorychlostní a vysoce přesný SAR ADC a víceúrovňový systém přerušení MCU mohou zajistit výkon řízení v uzavřené smyčce v reálném čase.

Invertorová deska chladničky GD32F130

přední obrázek

zpětný obraz