Introductie: Zhaoyi Innovation is een gigantisch bedrijf van binnenlandse MCU-serieproducten. In hun serie MCU-ontwerpoplossingen werken ze uitgebreid samen met SKLOR.

Gebruik van de MCU uit de GD32F130-serie om het inverterbordschema van de koelkastcompressor te ontwerpen

Overzicht van inverterschema koelkastcompressor

Het in dit artikel geïntroduceerde frequentieconversiebord kan worden gebruikt voor frequentieconversieregeling van koelkastcompressoren en kan ook worden gebruikt voor frequentieconversieregeling van afzuigkappen en airconditioners. Het systeem is gebaseerd op het MCU-ontwerp van GigaDevice's GD32F130-serie. De MCU is uitgerust met een Cortex-M3-kern, die PI-regeling, een SVPWM-generator en een motorstatuswaarnemer via software kan realiseren; een geavanceerde timer kan direct 6 kanalen aanvullende, instelbare PWM-signalen in de dode zone genereren. De chip voldoet aan de industriële bedrijfstemperatuur-, ESD- en EMI-normen en is zeer geschikt voor variabele snelheidsregeling met PMSM en BLDC.

GD32F130 serie MCU belangrijkste specificaties

Cortex-M3@48Mhz, 50 MIPS-verwerkingsprestaties;

Flitser: 64 KB/32 KB/16 KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

Snelle en nauwkeurige ADC, 12 bits ADC x 1 bij 2.6 Msps, 10 kanalen;

Geavanceerde timer x1, die 6 complementaire PWM-uitgangen kan genereren met instelbare dode tijd. algemene timer x6;

Flash met hardware-encryptiebescherming;

Verschillende seriële communicatiemethoden: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Rijke pakkettypen: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Bedrijfstemperatuurbereik van industriële kwaliteit: -40℃~+85℃;

ESD-kenmerken van industriële kwaliteit: 6000 Volt;

Belangrijkste specificaties en parameters van de inverterkaart

Nominaal uitgangsvermogen 200 W, 310 V busspanning, maximale werkstroom 2 A;

Magnetisch veldgeoriënteerde methode, sinusgolfstroom, sensorloze start en bediening;

3 Weerstandsstroombemonstering;

Het invertercircuit bestaat uit 6 Power MOSFET's;

Het besturingsblokschema van het motorbesturingssysteem is als volgt:

Implementatie van MTPA

Zoals weergegeven in het systeemblokdiagram is het hele systeem een ​​dubbele regeling met gesloten lus, de binnenste lus is een stroomregellus en de buitenste lus is een snelheidsregellus. Stel de richting van de magnetische flux van de rotor in als d-as, de q-as is de orthogonale as van de d-as, het regeldoel van de stroomlus is om de statorstroom en de magnetische flux te ontkoppelen en de statorstroom naar de q-as te regelen.

Voor de SPM-motor stellen we de doelcontrolewaarde-ID van de d-as in op 0 en regelen we alle stroom op de stator naar de q-as om het maximale koppel per ampère (MTPA) te verkrijgen. Op dit moment zijn het koppel en de snelheid van de PMSM-motor alleen gerelateerd aan de huidige component van de q-as. Vervolgens regelen we de stroom op de d-as via de snelheidsregellus om een ​​dubbele gesloten-lusregeling te bereiken.

Omdat de structuur van de SPM-motor bij feitelijk werk niet ideaal is, is de werkelijke stroom op de d-as niet 0; tegelijkertijd zullen we ook doelbewust de stroom op de d-as regelen, om ervoor te zorgen dat de motor de basissnelheid overschrijdt; op dit moment moeten we een veldverzwakkingscontroller aan de d-as toevoegen om de realisatie van MTPA te garanderen. Het vectordiagram wanneer de SPM-motor draait is als volgt:

Implementatie van FOC

Er zijn a, b, c driefasige stromen in de feitelijke bedrading van de PMSM-motor. Nu moeten we de driefasige stromen a, b en c verbinden met de stroom op de D-as en de stroom op de Q-as. We moeten de twee wiskundige transformaties van Clark en Park gebruiken:

? Clark-transformatie: (a, b, c) → (α, β), α, β zijn tweefasige orthogonale stationaire coördinatensystemen;

?Parktransformatie: (α, β)→(D, Q), D, Q is een tweefasig orthogonaal roterend coördinatensysteem, waarbij θ de positie van de magnetische flux van de rotor is;

Door de twee wiskundige veranderingen van Clark en Park kunnen we de driefasige stromen a, b en c van de PMSM-motor ontleden in de D-as en de Q-as, waardoor we Field Oriented Control (FOC) realiseren. We kunnen ook ontdekken dat het belangrijkste punt van de hele FOC-regeling het vinden van de magnetische fluxpositie θ van de rotor is.

Implementatie van SVPWM

We kunnen ook de inverse Park-transformatie gebruiken om de statorstroom van de D-, Q-ruimte naar de α-, β-ruimte om te zetten. Na voltooiing van de magnetische veldoriëntatie is de laatste stap van de PMSM-motorbesturing het genereren van PWM-spanning die op de driefasige klemmen van de motor inwerkt. Volgens de 8 schakeltoestanden van de driefasige omvormer kunnen we de statustabel van de ruimtevectormodulatie-omvormer weergeven:

Onder hen is het een ongeldige toestand als de drie fasen van A, B en C allemaal 0 en 1 zijn. We plaatsen deze twee toestandsvectoren aan de oorsprong van de ruimte, en de overige 6 vectortoestanden U0 → U300 tekenen gewoon een regelmatige zeshoek in de ruimte. De traditionele 6-stapsmethode om de motor te besturen is om deze 6 spanningsvectoren beurtelings aan het statoruiteinde van de motor toe te voegen.

Het doel van space vector modulation (SVPWM) is het vormen van een 360 graden roterende spanningsvector met gelijke amplitude in de vectorruimte, waardoor de huidige harmonische componenten die door de omvormer worden afgegeven, worden verminderd en de koppelrimpel wordt verminderd. De implementatiemethode van SVPWM is het gebruik van twee aangrenzende basisspanningsvectoren om de roterende spanningsvector Uout in de vectorruimte te synthetiseren, en de maximale waarde van Uout is ongeveer 0.886 * VDC. Als we het eerste kwadrant als voorbeeld nemen,

Onder hen is T1 de actietijd van de spanningsvector U0 in één PWM-cyclus, T2 is de actietijd van de spanningsvector U60 in één PWM-cyclus, en TO is de actietijd van de nulsequentiecomponent.

We gebruiken eerst de waarden van V_α en V_β om de sectorsector te bepalen en berekenen vervolgens de waarden van T1, T2 en T0 volgens de trigonometrische functie en de waarde van Vdc.

A= V_β;

B= 1.7320508*V_α-V_β;

C= -1.7320508*V_α-V_β;

als(A>= 0) {a= 1;} anders a= 0;

als(B>= 0) {b= 1;} anders b= 0;

als(C>= 0) {c= 1;} anders c= 0;

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

schakelaar(N)

{

geval 1: sector = 2; pauze;

geval 2: sector = 6; pauze;

geval 3: sector = 1; pauze;

geval 4: sector = 4; pauze;

geval 5: sector = 3; pauze;

geval 6: sector = 5; pauze;

standaard: pauze;

}

Om de schakeltijden van MOSFET's in het invertercircuit te verkorten, kan een 7-segments vectorsynthesemethode worden gebruikt, beginnend en eindigend met een nulvector (000) in elke vectorsector, met een nulvector (111) in het midden, en de rest van de tijd met een geldige vector. Zoals hieronder weergegeven:

Nadat de SVPWM-spanning is aangelegd op de driefasige klemmen van de PMSM-motor, is de zadelvormige fasespanningsgolfvorm te zien, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

Implementatie van de Rotor Angle Observer

Het vinden van de positie θ van de magnetische rotorflux is de sleutel tot het FOC-algoritme, maar tijdens het snelle rotatieproces van de motor is de nauwkeurigheid van de Hall-sensor niet voldoende om de positie θ van de magnetische rotorflux nauwkeurig te vinden . In dit geval is een rotorhoekwaarnemer vereist. De hoekinformatie van de magnetische flux van de rotor kan worden verkregen uit de tegen-EMK. We kunnen de tegen-EMK van de motor niet rechtstreeks meten, maar de waarde van de tegen-EMK kan worden berekend met de waarnemersmethode.

De foutwaarde tussen de waarnemersstroom en de werkelijke stroom wordt gekozen als het stuuroppervlak S voor de glijdende modus,

Als de versterking K van de glijdende modus groot genoeg is, kunnen we een regeloppervlak S voor de glijdende modus vinden zodat

Het systeemblokschema van de waarnemer in de glijdende modus is als volgt:

Als we de stabiliteit van het stuuroppervlak S van de glijdende modus willen garanderen, moeten we effectieve K- en l-waarden selecteren om dat te garanderen

En de l-waarde moet groter zijn dan -1. Ten slotte kan de hoek θ van de rotor worden berekend met de boogtangensfunctie.

De MCU uit de GD32F130-serie kan eenvoudig de bovengenoemde SVPWM-generator, Park/Clark-transformatie, PI-controller en rotorpositiewaarnemer implementeren. De ingebouwde snelle en uiterst nauwkeurige SAR ADC en het meerniveau-onderbrekingssysteem van de MCU kunnen de real-time prestaties van gesloten-luscontrole garanderen.

GD32F130 Inverterbord koelkast

voorste afbeelding

afbeelding omkeren