Wprowadzenie: Zhaoyi Innovation to gigantyczna firma produkująca krajowe produkty z serii MCU. W swojej serii rozwiązań projektowych MCU mają szeroką współpracę z SKLOR.

Wykorzystanie MCU serii GD32F130 do zaprojektowania schematu płytki inwertera sprężarki lodówki

Przegląd schematu inwertera sprężarki lodówki

Płytka konwersji częstotliwości przedstawiona w tym artykule może być używana do sterowania sprężarkami lodówek, a także okapami kuchennymi i klimatyzatorami. Schemat opiera się na projekcie mikrokontrolera GigaDevice z serii GD32F130. Mikrokontroler jest wyposażony w rdzeń Cortex-M3, który może programowo realizować sterowanie PI, generator SVPWM i obserwację stanu silnika. Zaawansowany timer może bezpośrednio generować 6 kanałów komplementarnego, regulowanego sygnału PWM z martwą strefą. Układ spełnia przemysłowe normy dotyczące temperatury pracy oraz ESD i EMI i doskonale nadaje się do sterowania prędkością obrotową silników PMSM i BLDC o zmiennej częstotliwości.

Główne specyfikacje MCU serii GD32F130

Cortex-M3 @ 48 MHz, wydajność przetwarzania 50 MIPS;

Flash: 64 KB/32 KB/16 KB;

Pamięć RAM: 8 KB/4 KB/4 KB;

Szybki i precyzyjny przetwornik ADC, 12 bitów ADC x 1 przy 2.6 Ms/s, 10 kanałów;

Zaawansowany timer x1, który może generować 6 uzupełniających wyjść PWM z regulowanym czasem martwym. ogólny licznik czasu x6;

Flash ze sprzętową ochroną szyfrowania;

Różne metody komunikacji szeregowej: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Bogate typy pakietów: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Zakres temperatury roboczej klasy przemysłowej: -40 ℃ ~ + 85 ℃;

Charakterystyka ESD klasy przemysłowej: 6000 V;

Główne specyfikacje i parametry płyty falownika

Znamionowa moc wyjściowa 200W, napięcie magistrali 310V, maksymalny prąd pracy 2A;

Metoda zorientowana na pole magnetyczne, prąd sinusoidalny, bezczujnikowy start i sterowanie;

3 Próbkowanie prądu rezystora;

Układ inwertera zbudowany jest z 6 tranzystorów mocy MOSFET;

Schemat blokowy sterowania układu sterowania silnikiem jest następujący:

Wdrożenie MTPA

Jak pokazano na schemacie blokowym systemu, cały system jest sterowaniem w podwójnej pętli zamkniętej, pętla wewnętrzna jest pętlą sterowania prądem, a pętla zewnętrzna jest pętlą sterowania prędkością. Ustaw kierunek strumienia magnetycznego wirnika jako oś d, oś q jest ortogonalną osią osi d, celem sterowania pętli prądowej jest oddzielenie prądu stojana od strumienia magnetycznego i sterowanie prądem stojana do osi q.

W przypadku silnika SPM ustawiamy docelową wartość sterującą id osi d na 0 i sterujemy całym prądem stojana w osi q, aby uzyskać maksymalny moment obrotowy na amper (MTPA). W tym momencie moment obrotowy i prędkość silnika PMSM są powiązane tylko ze składową prądu osi q. Następnie kontrolujemy prąd na osi d poprzez pętlę sterowania prędkością, aby uzyskać podwójną kontrolę w pętli zamkniętej.

W rzeczywistej pracy, ponieważ konstrukcja silnika SPM nie jest idealna, rzeczywisty prąd na osi d nie wynosi 0; jednocześnie będziemy celowo kontrolować prąd na osi d, aby osiągnąć pracę silnika przekraczającą prędkość podstawową; w tym momencie musimy dodać kontroler osłabienia pola do osi d, aby zapewnić realizację MTPA. Schemat wektorowy, gdy silnik SPM pracuje, wygląda następująco:

Wdrożenie FOC

W rzeczywistym okablowaniu silnika PMSM występują prądy trójfazowe a, b, c. Teraz musimy połączyć prądy trójfazowe a, b i c z prądem osi D i prądem osi Q. Musimy skorzystać z dwóch matematycznych transformacji Clarka i Parka:

? Transformacja Clarka: (a, b, c) → (α, β), α, β są dwufazowymi ortogonalnymi stacjonarnymi układami współrzędnych;

Transformacja Parka: (α, β)→(D, Q), D, Q jest dwufazowym ortogonalnym obrotowym układem współrzędnych, gdzie θ jest położeniem strumienia magnetycznego wirnika;

Dzięki dwóm matematycznym zmianom Clarka i Parka możemy rozłożyć prądy trójfazowe a, b i c silnika PMSM na oś D i oś Q, realizując w ten sposób sterowanie zorientowane na pole (FOC). Możemy również stwierdzić, że kluczowym punktem całego sterowania FOC jest znalezienie położenia strumienia magnetycznego θ wirnika.

Wdrożenie SVPWM

Możemy również użyć odwrotnej transformacji Parka, aby przekształcić prąd stojana z przestrzeni D, Q na przestrzeń α, β. Ostatnim etapem sterowania silnikiem PMSM po zakończeniu orientacji pola magnetycznego jest wygenerowanie napięcia PWM działającego na zaciski trójfazowe silnika. Zgodnie z 8 stanami przełączania falownika trójfazowego możemy wymienić tabelę stanów falownika z modulacją wektora przestrzennego:

Wśród nich, gdy wszystkie trzy fazy A, B i C mają wartość 0 i 1, jest to stan nieprawidłowy. Umieszczamy te dwa wektory stanu w początku przestrzeni, a pozostałych 6 stanów wektorów U0 → U300 po prostu rysujemy w przestrzeni foremny sześciokąt. Tradycyjna 6-etapowa metoda sterowania silnikiem polega na dodaniu tych 6 wektorów napięcia po kolei od strony stojana silnika.

Celem modulacji wektora przestrzennego (SVPWM) jest utworzenie w przestrzeni wektorowej wektora napięcia wirującego o równej amplitudzie o zakresie 360 ​​stopni, redukując w ten sposób składowe harmoniczne prądu wyprowadzane przez falownik i zmniejszając tętnienie momentu obrotowego. Metoda implementacji SVPWM polega na wykorzystaniu dwóch sąsiednich wektorów napięcia podstawowego do syntezy wirującego wektora napięcia Uout w przestrzeni wektorowej, a maksymalna wartość Uout wynosi około 0.886*VDC. Biorąc za przykład pierwszą ćwiartkę,

Wśród nich T1 to czas działania wektora napięcia U0 w jednym cyklu PWM, T2 to czas działania wektora napięcia U60 w jednym cyklu PWM, a T0 to czas działania składowej zerowej.

Najpierw używamy wartości V_α i V_β do określenia sektora sektora, a następnie obliczamy wartości T1, T2 i T0 zgodnie z funkcją trygonometryczną i wartością 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;

przełącznik (N)

{

przypadek 1: sektor = 2; przerwa;

przypadek 2: sektor = 6; przerwa;

przypadek 3: sektor = 1; przerwa;

przypadek 4: sektor = 4; przerwa;

przypadek 5: sektor = 3; przerwa;

przypadek 6: sektor = 5; przerwa;

domyślnie: przerwa;

}

Aby skrócić czas przełączania tranzystorów MOSFET w układzie inwertera, można zastosować 7-segmentową metodę syntezy wektorów przestrzennych, rozpoczynając i kończąc na wektorze zerowym (000) w każdym sektorze wektora, z wektorem zerowym (111) w środku, a przez resztę czasu na wektorze prawidłowym. Jak pokazano poniżej:

Po przyłożeniu napięcia SVPWM do zacisków trójfazowych silnika PMSM można zaobserwować siodłowy przebieg napięcia fazowego, jak pokazano na poniższym rysunku:

Implementacja obserwatora kąta wirnika

Znalezienie położenia θ strumienia magnetycznego wirnika jest kluczem do algorytmu FOC, jednak w procesie dużych prędkości obrotowych silnika dokładność czujnika Halla nie jest wystarczająca, aby dokładnie znaleźć położenie θ strumienia magnetycznego wirnika . W takim przypadku wymagany jest obserwator kąta wirnika. Informacje o kącie strumienia magnetycznego wirnika można uzyskać z tylnego pola elektromagnetycznego. Nie możemy bezpośrednio zmierzyć tylnego pola elektromagnetycznego silnika, ale wartość tylnego pola elektromagnetycznego można obliczyć metodą obserwatora.

Jako powierzchnię sterującą trybu ślizgowego S wybiera się wartość błędu pomiędzy prądem obserwatora a prądem rzeczywistym,

Jeżeli wzmocnienie trybu ślizgowego K jest wystarczająco duże, możemy znaleźć powierzchnię kontrolną trybu ślizgowego S taką, że:

Schemat blokowy systemu obserwatora ślizgowego wygląda następująco:

Jeżeli chcemy zapewnić stabilność powierzchni sterującej stanu poślizgu S, musimy dobrać efektywne wartości K i l, które to zapewnią

Wartość l musi być większa niż -1. Wreszcie kąt θ wirnika można obliczyć za pomocą funkcji arcus tangens.

MCU serii GD32F130 może z łatwością wdrożyć wspomniany powyżej generator SVPWM, transformację Park/Clark, kontroler PI i obserwator położenia wirnika. Wbudowany szybki i precyzyjny przetwornik ADC SAR oraz wielopoziomowy system przerwań MCU mogą zapewnić wydajność sterowania w pętli zamkniętej w czasie rzeczywistym.

GD32F130 Płytka inwertera lodówki

obraz z przodu

odwróć obraz