مقدمه: Zhaoyi Innovation یک شرکت غول پیکر از محصولات داخلی سری MCU است. آنها در مجموعه راه حل های طراحی MCU خود، همکاری گسترده ای با SKLOR دارند.

استفاده از MCU سری GD32F130 برای طراحی طرح برد اینورتر کمپرسور یخچال

نمای کلی طرح اینورتر کمپرسور یخچال

برد تبدیل فرکانس معرفی شده در این مقاله می‌تواند برای کنترل تبدیل فرکانس کمپرسورهای یخچال و همچنین برای کنترل تبدیل فرکانس هودهای آشپزخانه و کولرهای گازی استفاده شود. این طرح بر اساس طراحی MCU سری GD32F130 شرکت GigaDevice است. این MCU مجهز به هسته Cortex-M3 است که می‌تواند کنترل PI، مولد SVPWM و مشاهده‌گر وضعیت موتور را از طریق نرم‌افزار انجام دهد. یک تایمر پیشرفته می‌تواند مستقیماً 6 کانال PWM قابل تنظیم در منطقه مرده تولید کند. این تراشه مطابق با استانداردهای دمای عملیاتی و ESD و EMI در سطح صنعتی است و برای PMSM و کنترل سرعت فرکانس متغیر BLDC بسیار مناسب است.

مشخصات اصلی MCU سری GD32F130

Cortex-M3@48Mhz، عملکرد پردازش 50 MIPS؛

فلش: 64KB/32KB/16KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

ADC با سرعت بالا با دقت بالا، 12 بیت ADC x 1@2.6Msps، 10 کانال.

تایمر پیشرفته x1 که می تواند 6 خروجی PWM مکمل با زمان مرده قابل تنظیم تولید کند. تایمر عمومی x6;

فلش با محافظت از رمزگذاری سخت افزاری؛

روش های مختلف ارتباط سریال: I2C x2، SPI x2، UART x2.

انواع بسته بندی غنی: TSSOP20/QFN28/QFN32/LQFP32/LQFP48/LQFP64

محدوده دمای عملیاتی درجه صنعتی: -40℃~+85℃;

مشخصات ESD درجه صنعتی: 6000 ولت؛

مشخصات و پارامترهای اصلی برد اینورتر

توان خروجی نامی 200 وات، ولتاژ باس 310 ولت، حداکثر جریان کاری 2 آمپر؛

روش میدان مغناطیسی گرا، جریان موج سینوسی، شروع و کنترل بدون حسگر.

3 نمونه گیری جریان مقاومت.

مدار اینورتر از ۶ ماسفت قدرت ساخته شده است؛

دیاگرام بلوک کنترل سیستم کنترل موتور به شرح زیر است:

اجرای MTPA

همانطور که در بلوک دیاگرام سیستم نشان داده شده است، کل سیستم یک کنترل حلقه بسته دوگانه، حلقه داخلی یک حلقه کنترل جریان و حلقه بیرونی یک حلقه کنترل سرعت است. جهت شار مغناطیسی روتور را به عنوان محور d تنظیم کنید، محور q محور متعامد محور d است، هدف کنترل حلقه جریان جدا کردن جریان استاتور و شار مغناطیسی و کنترل جریان استاتور به محور q است.

برای موتور SPM، مقدار کنترل هدف id محور d را روی 0 قرار می دهیم و تمام جریان روی استاتور را به محور q کنترل می کنیم تا حداکثر گشتاور در هر آمپر (MTPA) به دست آید. در این زمان، گشتاور و سرعت موتور PMSM فقط به جزء جریان محور q مربوط می شود. سپس جریان روی محور d را از طریق حلقه کنترل سرعت کنترل می کنیم تا به کنترل حلقه بسته مضاعف دست یابیم.

در کار واقعی، از آنجایی که ساختار موتور SPM ایده آل نیست، جریان واقعی در محور d 0 نیست. در همان زمان، ما همچنین به طور هدفمند جریان را در محور d کنترل خواهیم کرد تا به سرعت موتور بیش از سرعت پایه دست یابیم. در این زمان، ما باید یک کنترل کننده تضعیف میدان را به محور d اضافه کنیم تا از تحقق MTPA اطمینان حاصل کنیم. نمودار برداری زمانی که موتور SPM در حال کار است به شرح زیر است:

پیاده سازی FOC

جریان های سه فاز a، b، c در سیم کشی واقعی موتور PMSM وجود دارد. حال باید جریان های سه فاز a و b و c را با جریان محور D و جریان محور Q وصل کنیم. ما باید از دو تبدیل ریاضی کلارک و پارک استفاده کنیم:

تبدیل کلارک: (a، b، c) → (α، β)، α، β سیستم‌های مختصات ساکن متعامد دو فاز هستند؛

تبدیل ?Park: (α, β)→(D, Q), D, Q یک سیستم مختصات دوار متعامد دو فاز است که در آن θ موقعیت شار مغناطیسی روتور است؛

از طریق دو تغییر ریاضی کلارک و پارک، ما می‌توانیم جریان‌های سه فاز a، b و c موتور PMSM را به محور D و محور Q تجزیه کنیم و در نتیجه کنترل میدان‌گرا (FOC) را محقق کنیم. همچنین می توانیم متوجه شویم که نقطه کلیدی کل کنترل FOC، یافتن موقعیت شار مغناطیسی θ روتور است.

پیاده سازی SVPWM

همچنین می توانیم از تبدیل پارک معکوس برای تبدیل جریان استاتور از فضای D، Q به فضای α، β استفاده کنیم. پس از تکمیل جهت گیری میدان مغناطیسی، آخرین مرحله کنترل موتور PMSM، تولید ولتاژ PWM است که بر روی پایانه های سه فاز موتور عمل می کند. با توجه به 8 حالت سوئیچینگ اینورتر سه فاز، می توانیم جدول وضعیت اینورتر مدولاسیون بردار فضا را فهرست کنیم:

در میان آنها، وقتی سه فاز A، B و C همگی 0 و 1 باشند، یک حالت نامعتبر است. ما این دو بردار حالت را در مبدا فضا قرار می دهیم و 6 حالت بردار باقی مانده U0→U300 فقط یک شش ضلعی منظم در فضا رسم می کنیم. روش سنتی 6 مرحله ای برای کنترل موتور این است که این 6 بردار ولتاژ را به نوبه خود به انتهای استاتور موتور اضافه کنید.

هدف از مدولاسیون برداری فضا (SVPWM) تشکیل یک بردار ولتاژ دوار با دامنه مساوی 360 درجه در فضای برداری است که در نتیجه اجزای هارمونیک جریان خروجی توسط اینورتر را کاهش می دهد و ریپل گشتاور را کاهش می دهد. روش اجرای SVPWM استفاده از دو بردار ولتاژ پایه مجاور برای سنتز بردار ولتاژ دوار Uout در فضای برداری است و حداکثر مقدار Uout حدود 0.886*VDC است. با در نظر گرفتن ربع اول به عنوان مثال،

در میان آنها، T1 زمان عمل بردار ولتاژ U0 در یک سیکل PWM، T2 زمان عمل بردار ولتاژ U60 در یک سیکل PWM و T0 زمان عمل مولفه توالی صفر است.

ابتدا از مقادیر V_α و V_β برای تعیین سکتور استفاده می کنیم و سپس مقادیر T1، T2 و T0 را با توجه به تابع مثلثاتی و مقدار Vdc محاسبه می کنیم.

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;

سوئیچ (N)

{

مورد 1: بخش = 2; زنگ تفريح؛

مورد 2: بخش = 6; زنگ تفريح؛

مورد 3: بخش = 1; زنگ تفريح؛

مورد 4: بخش = 4; زنگ تفريح؛

مورد 5: بخش = 3; زنگ تفريح؛

مورد 6: بخش = 5; زنگ تفريح؛

پیش فرض: break;

}

به منظور کاهش زمان سوئیچینگ MOSFET ها در مدار اینورتر، می‌توان از روش سنتز بردار فضایی 7 قسمتی استفاده کرد که با یک بردار صفر (000) در هر بخش برداری شروع و پایان می‌یابد، با یک بردار صفر (111) در وسط و بقیه زمان با بردار معتبر. همانطور که در زیر نشان داده شده است:

پس از اعمال ولتاژ SVPWM به پایانه های سه فاز موتور PMSM، شکل موج ولتاژ فاز زین شکل دیده می شود که در شکل زیر نشان داده شده است:

پیاده سازی رصدگر زاویه روتور

یافتن موقعیت θ شار مغناطیسی روتور کلید الگوریتم FOC است، اما در فرآیند چرخش موتور با سرعت بالا، دقت سنسور هال برای یافتن دقیق موقعیت θ شار مغناطیسی روتور کافی نیست. . در این مورد، یک ناظر زاویه روتور مورد نیاز است. اطلاعات زاویه شار مغناطیسی روتور را می توان از EMF پشتی به دست آورد. ما نمی توانیم مستقیماً EMF پشتی موتور را اندازه گیری کنیم، اما مقدار EMF پشتی را می توان با روش مشاهده گر محاسبه کرد.

مقدار خطا بین جریان ناظر و جریان واقعی به عنوان سطح کنترل حالت لغزشی S انتخاب می شود.

اگر گین حالت لغزشی K به اندازه کافی بزرگ باشد، می‌توانیم سطح کنترل حالت لغزشی S را به گونه‌ای بیابیم که

بلوک دیاگرام سیستم مشاهده گر حالت لغزشی به شرح زیر است:

اگر بخواهیم از پایداری سطح کنترل حالت لغزشی S اطمینان حاصل کنیم، باید مقادیر موثر K و l را انتخاب کنیم تا اطمینان حاصل کنیم که

و مقدار l باید بزرگتر از -1 باشد. در نهایت، زاویه θ روتور را می توان با تابع قطبی محاسبه کرد.

MCU سری GD32F130 می تواند به راحتی ژنراتور SVPWM فوق الذکر، تبدیل پارک/کلارک، کنترل کننده PI و ناظر موقعیت روتور را پیاده سازی کند. سیستم SAR ADC با سرعت و دقت بالا داخلی و سیستم وقفه چند سطحی MCU می تواند عملکرد بلادرنگ کنترل حلقه بسته را تضمین کند.

برد اینورتر یخچال GD32F130

تصویر جلو

تصویر معکوس