Introduzione: Zhaoyi Innovation è una gigantesca azienda di prodotti domestici della serie MCU. Nella loro serie di soluzioni di progettazione MCU, hanno un'ampia collaborazione con SKLOR.

Utilizzo dell'MCU serie GD32F130 per progettare lo schema della scheda dell'inverter del compressore del frigorifero

Panoramica dello schema dell'inverter del compressore del frigorifero

La scheda di conversione di frequenza presentata in questo articolo può essere utilizzata per il controllo della conversione di frequenza dei compressori dei frigoriferi e anche per il controllo della conversione di frequenza di cappe da cucina e condizionatori d'aria. Lo schema si basa sul design del microcontrollore della serie GD32F130 di GigaDevice. Il microcontrollore è dotato di core Cortex-M3, in grado di realizzare il controllo PI, un generatore SVPWM e un osservatore dello stato del motore tramite software; un timer avanzato può generare direttamente 6 canali di PWM complementare regolabile in zona morta. Il chip soddisfa gli standard di temperatura operativa di livello industriale, ESD ed EMI ed è particolarmente adatto per il controllo della velocità a frequenza variabile di motori PMSM e BLDC.

Specifiche principali dell'MCU serie GD32F130

Cortex-M3@48Mhz, prestazioni di elaborazione 50 MIPS;

Flash: 64KB/32KB/16KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

ADC ad alta precisione ad alta velocità, ADC a 12 bit x 1 a 2.6 Msps, 10 canali;

Temporizzatore avanzato x1, che può generare 6 uscite PWM complementari con tempo morto regolabile. timer generale x6;

Flash con protezione tramite crittografia hardware;

Vari metodi di comunicazione seriale: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Tipi di pacchetti ricchi: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Intervallo di temperatura operativa di livello industriale: -40 ℃ ~ + 85 ℃;

Caratteristiche ESD di livello industriale: 6000 Volt;

Principali specifiche e parametri della scheda inverter

Potenza di uscita nominale 200 W, tensione bus 310 V, corrente di funzionamento massima 2 A;

Metodo orientato al campo magnetico, corrente sinusoidale, avvio e controllo sensorless;

3 Campionamento della corrente del resistore;

Il circuito dell'inverter è costituito da 6 MOSFET di potenza;

Lo schema a blocchi di controllo del sistema di controllo del motore è il seguente:

Attuazione dell'MTPA

Come mostrato nel diagramma a blocchi del sistema, l'intero sistema è un doppio controllo a circuito chiuso, il circuito interno è un circuito di controllo della corrente e il circuito esterno è un circuito di controllo della velocità. Impostare la direzione del flusso magnetico del rotore come asse d, l'asse q è l'asse ortogonale dell'asse d, lo scopo di controllo del circuito di corrente è disaccoppiare la corrente dello statore e il flusso magnetico e controllare la corrente dello statore sull'asse q.

Per il motore SPM, impostiamo il valore di controllo target id dell'asse d su 0 e controlliamo tutta la corrente sullo statore sull'asse q per ottenere la coppia massima per ampere (MTPA). In questo momento, la coppia e la velocità del motore PMSM sono legate solo alla componente di corrente dell'asse q. Quindi controlliamo la corrente sull'asse D attraverso il circuito di controllo della velocità per ottenere un doppio controllo ad anello chiuso.

Nel lavoro reale, poiché la struttura del motore SPM non è ideale, la corrente effettiva sull'asse D non è 0; allo stesso tempo, controlleremo anche intenzionalmente la corrente sull'asse D, in modo da far sì che il motore superi il funzionamento a velocità base; al momento, dobbiamo aggiungere un controller di indebolimento del campo all'asse D per garantire la realizzazione dell'MTPA. Il diagramma vettoriale quando il motore SPM è in funzione è il seguente:

Attuazione del FOC

Sono presenti correnti trifase a, b, c nel cablaggio effettivo del motore PMSM. Ora dobbiamo collegare le correnti trifase a, b e c con la corrente dell'asse D e la corrente dell'asse Q. Dobbiamo utilizzare le due trasformazioni matematiche di Clark e Park:

? Trasformazione di Clark: (a, b, c) → (α, β), α, β sono sistemi di coordinate stazionarie ortogonali bifase;

?Trasformazione del parco: (α, β)→(D, Q), D, Q è un sistema di coordinate rotanti ortogonali bifase, dove θ è la posizione del flusso magnetico del rotore;

Attraverso le due modifiche matematiche di Clark e Park, possiamo scomporre le correnti trifase a, b e c del motore PMSM nell'asse D e nell'asse Q, realizzando così il Field Oriented Control (FOC). Possiamo anche scoprire che il punto chiave dell'intero controllo FOC è trovare la posizione del flusso magnetico θ del rotore.

Implementazione di SVPWM

Possiamo anche utilizzare la trasformazione inversa di Park per convertire la corrente dello statore dallo spazio D, Q allo spazio α, β. Dopo aver completato l'orientamento del campo magnetico, l'ultima fase del controllo del motore PMSM consiste nel generare una tensione PWM che agisce sui terminali trifase del motore. In base agli 8 stati di commutazione dell'inverter trifase possiamo elencare la tabella degli stati dell'inverter a modulazione vettoriale spaziale:

Tra questi, quando le tre fasi A, B e C sono tutte 0 e 1, si tratta di uno stato non valido. Posizioniamo questi due vettori di stato all'origine dello spazio e i restanti 6 stati vettoriali U0→U300 disegnano semplicemente un esagono regolare nello spazio. Il metodo tradizionale in 6 fasi per controllare il motore consiste nell'aggiungere a turno questi 6 vettori di tensione all'estremità dello statore del motore.

Lo scopo della modulazione vettoriale spaziale (SVPWM) è quello di formare un vettore di tensione rotante di uguale ampiezza a 360 gradi nello spazio vettoriale, riducendo così le componenti armoniche di corrente emesse dall'inverter e riducendo l'ondulazione della coppia. Il metodo di implementazione di SVPWM consiste nell'utilizzare due vettori di tensione di base adiacenti per sintetizzare il vettore di tensione rotante Uout nello spazio vettoriale e il valore massimo di Uout è di circa 0.886*VDC. Prendendo come esempio il primo quadrante,

Tra questi, T1 è il tempo di azione del vettore di tensione U0 in un ciclo PWM, T2 è il tempo di azione del vettore di tensione U60 in un ciclo PWM e T0 è il tempo di azione del componente di sequenza zero.

Usiamo prima i valori di V_α e V_β per determinare il settore del settore, quindi calcoliamo i valori di T1, T2 e T0 in base alla funzione trigonometrica e al valore di 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;

interruttore(N)

{

caso 1: settore = 2; rottura;

caso 2: settore = 6; rottura;

caso 3: settore = 1; rottura;

caso 4: settore = 4; rottura;

caso 5: settore = 3; rottura;

caso 6: settore = 5; rottura;

predefinito: interruzione;

}

Per ridurre i tempi di commutazione dei MOSFET nel circuito inverter, è possibile utilizzare un metodo di sintesi vettoriale spaziale a 7 segmenti, iniziando e terminando con un vettore nullo (000) in ciascun settore vettoriale, con un vettore nullo (111) al centro e il resto del tempo con un vettore valido. Come mostrato di seguito:

Dopo che la tensione SVPWM è stata applicata ai terminali trifase del motore PMSM, è possibile vedere la forma d'onda della tensione di fase a forma di sella, come mostrato nella figura seguente:

Implementazione dell'osservatore dell'angolo del rotore

Trovare la posizione θ del flusso magnetico del rotore è la chiave dell'algoritmo FOC, ma nel processo di rotazione ad alta velocità del motore, la precisione del sensore Hall non è sufficiente per trovare con precisione la posizione θ del flusso magnetico del rotore . In questo caso è necessario un osservatore dell'angolo del rotore. Le informazioni sull'angolo del flusso magnetico del rotore possono essere ottenute dalla FEM posteriore. Non possiamo misurare direttamente la forza elettromotrice posteriore del motore, ma il valore della forza elettromotrice posteriore può essere calcolato con il metodo dell'osservatore.

Il valore dell'errore tra la corrente dell'osservatore e la corrente reale viene scelto come superficie di controllo della modalità scorrevole S,

Se il guadagno della modalità scorrevole K è abbastanza grande, possiamo trovare una superficie di controllo della modalità scorrevole S tale che

Lo schema a blocchi del sistema dell'osservatore in modalità scorrevole è il seguente:

Se vogliamo garantire la stabilità della superficie di controllo della modalità di scorrimento S, dobbiamo selezionare i valori K e l effettivi per garantirlo

E il valore l deve essere maggiore di -1. Infine, l'angolo θ del rotore può essere calcolato mediante la funzione arcotangente.

Gli MCU della serie GD32F130 possono facilmente implementare il suddetto generatore SVPWM, la trasformazione Park/Clark, il controller PI e l'osservatore della posizione del rotore. L'ADC SAR integrato ad alta velocità e precisione e il sistema di interruzione multilivello dell'MCU possono garantire prestazioni in tempo reale del controllo a circuito chiuso.

GD32F130 Scheda inverter frigorifero

immagine frontale

immagine inversa