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GD32F130シリーズMCUを使用して冷蔵庫のコンプレッサーインバーターボードスキームを設計する

冷蔵庫のコンプレッサーインバーター方式の概要

この記事で紹介する周波数変換ボードは、冷蔵庫用コンプレッサーの周波数変換制御に使用できるだけでなく、レンジフードやエアコンの周波数変換制御にも使用できます。この回路は、GigaDevice社のGD32F130シリーズMCU設計に基づいています。このMCUはCortex-M3コアを搭載し、PI制御、SVPWMジェネレータ、モーター状態オブザーバーをソフトウェアで実現できます。また、高度なタイマーにより、デッドゾーン調整可能な6チャンネルの相補PWMを直接生成できます。このチップは産業グレードの動作温度とESD、EMI規格を満たしており、PMSM、BLDCの可変周波数速度制御に最適です。

GD32F130シリーズMCUの主な仕様

Cortex-M3@48Mhz、50 MIPS 処理性能。

フラッシュ: 64KB/32KB/16KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

高速高精度 ADC、12 ビット ADC x 1@2.6Msps、10 チャンネル。

デッドタイムを調整できる1つの相補PWM出力を生成できるアドバンストタイマーx6。一般タイマー x6;

ハードウェア暗号化保護を備えたフラッシュ。

各種シリアル通信方式：I2C x2、SPI x2、UART x2。

豊富なパッケージタイプ: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

工業グレードの動作温度範囲: -40℃~+85℃。

産業グレードの ESD 特性: 6000 ボルト;

インバータ基板の主な仕様とパラメータ

定格出力電力 200W、バス電圧 310V、最大動作電流 2A;

磁界指向方式、正弦波電流、センサーレス起動および制御。

3 抵抗電流のサンプリング。

インバータ回路は 6 つのパワー MOSFET で構成されています。

モータ制御システムの制御ブロック図は以下のとおりです。

MTPAの導入

システムブロック図に示すように、システム全体は二重閉ループ制御であり、内側のループは電流制御ループ、外側のループは速度制御ループです。回転子の磁束方向を d 軸、q 軸を d 軸の直交軸に設定します。電流ループの制御目的は、固定子電流と磁束を切り離し、固定子電流を q 軸に制御することです。

SPM モーターの場合、d 軸の目標制御値 id を 0 に設定し、固定子のすべての電流を q 軸に制御して、アンペアあたりの最大トルク (MTPA) を取得します。現時点では、PMSM モーターのトルクと速度は q 軸の電流成分にのみ関係します。次に、速度制御ループを通じて d 軸の電流を制御し、二重閉ループ制御を実現します。

実際の作業では、SPM モータの構造が理想的ではないため、実際の d 軸の電流は 0 ではありません。同時に、モーターのベース速度を超える動作を実現するために、d 軸の電流も意図的に制御します。現時点では、MTPA を確実に実現するには、d 軸に弱め界磁コントローラーを追加する必要があります。 SPM モーターの動作時のベクトル図は次のとおりです。

FOCの実施

PMSM モータの実際の配線には、a、b、c の三相電流が存在します。次に、a、b、c の三相電流を D 軸電流と Q 軸電流に接続する必要があります。 Clark と Park の 2 つの数学的変換を使用する必要があります。

? クラーク変換：（a, b, c）→（α, β）、α、βは2相直交定常座標系である。

パーク変換：（α、β）→（D、Q）、D、Qは2相直交回転座標系、θは回転子磁束位置である。

Clark と Park の 2 つの数学的変更により、PMSM モーターの a、b、c の三相電流を D 軸と Q 軸に分解することができ、それによってフィールド指向制御 (FOC) を実現できます。また、FOC 制御全体のキーポイントはロータの磁束位置 θ を求めることであることがわかります。

SVPWMの実装

逆パーク変換を使用して、固定子電流を D、Q 空間から α、β 空間に変換することもできます。磁界の方向付けが完了した後、PMSM モーター制御の最後のステップは、モーターの三相端子に作用する PWM 電圧を生成することです。三相インバータの 8 つのスイッチング状態に従って、空間ベクトル変調インバータ状態テーブルをリストできます。

このうち、A、B、Cの0相がすべて1、6の場合は無効状態となります。この 0 つの状態ベクトルを空間の原点に配置し、残りの 300 つのベクトル状態 U6→U6 は空間に正六角形を描くだけです。モーターを制御する従来の XNUMX ステップの方法では、これら XNUMX つの電圧ベクトルをモーターのステーター端に順番に追加します。

空間ベクトル変調 (SVPWM) の目的は、ベクトル空間内に 360 度等振幅の回転電圧ベクトルを形成することで、インバータが出力する電流高調波成分を低減し、トルク リップルを低減することです。 SVPWM の実装方法は、0.886 つの隣接する基本電圧ベクトルを使用してベクトル空間内で回転電圧ベクトル Uout を合成することであり、Uout の最大値は約 XNUMX*VDC です。第 XNUMX 象限を例にとると、

このうち、Ｔ１はＰＷＭ１周期における電圧ベクトルＵ０の動作時間、Ｔ２はＰＷＭ１周期における電圧ベクトルＵ６０の動作時間、Ｔ０は零相成分の動作時間である。

まず、V_α と V_β の値を使用してセクター セクターを決定し、次に三角関数と Vdc の値に従って T1、T2、および T0 の値を計算します。

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;

スイッチ(N)

{

ケース 1: セクター = 2;壊す;

ケース 2: セクター = 6;壊す;

ケース 3: セクター = 1;壊す;

ケース 4: セクター = 4;壊す;

ケース 5: セクター = 3;壊す;

ケース 6: セクター = 5;壊す;

デフォルト: ブレーク;

}

インバータ回路におけるMOSFETのスイッチング時間を短縮するために、7セグメント空間ベクトル合成法を使用できます。この方法では、各ベクトルセクターの先頭と末尾にゼロベクトル（000）を配置し、中央にゼロベクトル（111）を配置し、残りの時間は有効ベクトルを使用します。下図のようになります。

SVPWM 電圧が PMSM モーターの三相端子に印加されると、次の図に示すように、鞍型の相電圧波形が見られます。

ローター角度オブザーバーの実装

FOCアルゴリズムではローター磁束の位置θを求めることが鍵となりますが、モーターが高速回転する過程では、ホールセンサーの精度ではローター磁束の位置θを正確に求めることができません。 。この場合、ローター角度オブザーバーが必要となります。逆起電力からロータ磁束の角度情報が得られます。モーターの逆起電力を直接測定することはできませんが、オブザーバー法により逆起電力の値を計算することができます。

オブザーバ電流と実際の電流の間の誤差値がスライディング モード制御面 S として選択され、

スライディング モード ゲイン K が十分に大きい場合、次のようなスライディング モード制御面 S を見つけることができます。

スライディングモードオブザーバーのシステムブロック図は次のとおりです。

スライディング モード制御面 S の安定性を確保したい場合は、有効な K 値と l 値を選択して、次のことを保証する必要があります。

また、l の値は -1 より大きくなければなりません。最後に、ローターの角度 θ は逆正接関数によって計算できます。

GD32F130 シリーズ MCU は、前述の SVPWM ジェネレーター、パーク/クラーク変換、PI コントローラー、ローター位置オブザーバーを簡単に実装できます。内蔵の高速かつ高精度の SAR ADC と MCU のマルチレベル割り込みシステムにより、閉ループ制御のリアルタイム性能を保証できます。

GD32F130 冷蔵庫インバータ基板

正面画像

反転画像