Introdução: Zhaoyi Innovation é uma empresa gigante de produtos domésticos da série MCU. Em sua série de soluções de design de MCU, eles têm ampla cooperação com a SKLOR.

Usando MCU da série GD32F130 para projetar esquema de placa inversora de compressor de refrigerador

Visão geral do esquema do inversor do compressor do refrigerador

A placa de conversão de frequência apresentada neste artigo pode ser usada para controlar a conversão de frequência de compressores de refrigeradores e também para controlar a conversão de frequência de coifas e condicionadores de ar. O esquema é baseado no projeto do microcontrolador da série GD32F130 da GigaDevice. O microcontrolador é equipado com núcleo Cortex-M3, que pode realizar controle PI, gerador SVPWM e observador de estado do motor por software; um temporizador avançado pode gerar diretamente 6 canais de PWM ajustável de zona morta complementar. O chip atende aos padrões de temperatura operacional de nível industrial e ESD, EMI, e é muito adequado para controle de velocidade de frequência variável PMSM e BLDC.

Especificações principais do MCU da série GD32F130

Cortex-M3@48Mhz, desempenho de processamento de 50 MIPS;

Flash: 64 KB/32 KB/16 KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

ADC de alta velocidade e alta precisão, 12Bits ADC x 1@2.6Msps, 10 canais;

Temporizador avançado x1, que pode gerar 6 saídas PWM complementares com tempo morto ajustável. temporizador geral x6;

Flash com proteção de criptografia de hardware;

Vários métodos de comunicação serial: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Tipos de pacotes ricos: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Faixa de temperatura operacional de nível industrial: -40°C~+85°C;

Características ESD de nível industrial: 6000 Volts;

Principais especificações e parâmetros da placa inversora

Potência de saída nominal 200W, tensão de barramento 310V, corrente máxima de trabalho 2A;

Método orientado ao campo magnético, corrente de onda senoidal, partida e controle sem sensor;

3 Amostragem de corrente do resistor;

O circuito inversor é construído por 6 Power MOSFETs;

O diagrama de blocos de controle do sistema de controle do motor é o seguinte:

Implementação do MTPA

Conforme mostrado no diagrama de blocos do sistema, todo o sistema é um controle de malha fechada dupla, o circuito interno é um circuito de controle de corrente e o circuito externo é um circuito de controle de velocidade. Defina a direção do fluxo magnético do rotor como eixo d, o eixo q é o eixo ortogonal do eixo d, o objetivo de controle do circuito de corrente é desacoplar a corrente do estator e o fluxo magnético e controlar a corrente do estator para o eixo q.

Para o motor SPM, definimos o valor de controle alvo id do eixo d para 0 e controlamos toda a corrente no estator para o eixo q para obter o torque máximo por ampere (MTPA). Neste momento, o torque e a velocidade do motor PMSM estão relacionados apenas à componente atual do eixo q. Em seguida, controlamos a corrente no eixo d através da malha de controle de velocidade para obter controle de malha fechada dupla.

No trabalho real, como a estrutura do motor SPM não é ideal, a corrente real no eixo d não é 0; ao mesmo tempo, também controlaremos propositalmente a corrente no eixo d, de modo a fazer com que o motor exceda a velocidade base de operação; neste momento, precisamos adicionar um controlador de enfraquecimento de campo ao eixo d para garantir a realização do MTPA. O diagrama vetorial quando o motor SPM está funcionando é o seguinte:

Implementação do FOC

Existem correntes trifásicas a, b, c na fiação real do motor PMSM. Agora precisamos conectar as correntes trifásicas a, b e c com a corrente do eixo D e a corrente do eixo Q. Precisamos usar as duas transformações matemáticas de Clark e Park:

? Transformação de Clark: (a, b, c) → (α, β), α, β são sistemas de coordenadas estacionários ortogonais de duas fases;

?Transformação de Park: (α, β)→(D, Q), D, Q é um sistema de coordenadas rotativas ortogonais de duas fases, onde θ é a posição do fluxo magnético do rotor;

Através das duas mudanças matemáticas de Clark e Park, podemos decompor as correntes trifásicas a, b e c do motor PMSM no eixo D e no eixo Q, realizando assim o Controle Orientado a Campo (FOC). Também podemos descobrir que o ponto chave de todo o controle FOC é encontrar a posição do fluxo magnético θ do rotor.

Implementação do SVPWM

Também podemos usar a transformação inversa de Park para converter a corrente do estator do espaço D, Q para o espaço α, β. Após completar a orientação do campo magnético, a última etapa do controle do motor PMSM é gerar a tensão PWM atuando nos terminais trifásicos do motor. De acordo com os 8 estados de comutação do inversor trifásico, podemos listar a tabela de estados do inversor de modulação vetorial espacial:

Entre eles, quando as três fases de A, B e C são todas 0 e 1, é um estado inválido. Colocamos esses dois vetores de estado na origem do espaço, e os 6 estados vetoriais restantes U0→U300 apenas desenham um hexágono regular no espaço. O método tradicional de 6 etapas para controlar o motor é adicionar esses 6 vetores de tensão à extremidade do estator do motor.

O objetivo da modulação vetorial espacial (SVPWM) é formar um vetor de tensão rotativo de amplitude igual de 360 ​​​​graus no espaço vetorial, reduzindo assim a saída dos componentes harmônicos de corrente pelo inversor e reduzindo a ondulação de torque. O método de implementação do SVPWM é usar dois vetores de tensão básicos adjacentes para sintetizar o vetor de tensão rotativo Uout no espaço vetorial, e o valor máximo de Uout é cerca de 0.886*VDC. Tomando o primeiro quadrante como exemplo,

Entre eles, T1 é o tempo de ação do vetor de tensão U0 em um ciclo PWM, T2 é o tempo de ação do vetor de tensão U60 em um ciclo PWM e T0 é o tempo de ação do componente de sequência zero.

Primeiramente utilizamos os valores de V_α e V_β para determinar o setor do setor, e depois calculamos os valores de T1, T2 e T0 de acordo com a função trigonométrica e o valor de Vdc.

UMA=V_β;

B= 1.7320508*V_α-V_β;

C= -1.7320508*V_α-V_β;

if(A>= 0) {a= 1;} senão a= 0;

if(B>= 0) {b= 1;} senão b= 0;

if(C>= 0) {c= 1;} senão c= 0;

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

interruptor (N)

{

caso 1: setor = 2; quebrar;

caso 2: setor = 6; quebrar;

caso 3: setor = 1; quebrar;

caso 4: setor = 4; quebrar;

caso 5: setor = 3; quebrar;

caso 6: setor = 5; quebrar;

padrão: pausa;

}

Para reduzir os tempos de comutação dos MOSFETs no circuito inversor, pode ser utilizado um método de síntese vetorial espacial de 7 segmentos, começando e terminando com um vetor zero (000) em cada setor vetorial, com um vetor zero (111) no meio, e o resto do tempo com vetor válido. Como mostrado abaixo:

Após a tensão SVPWM ser aplicada aos terminais trifásicos do motor PMSM, a forma de onda da tensão de fase em forma de sela pode ser vista, conforme mostrado na figura a seguir:

Implementação do Observador do Ângulo do Rotor

Encontrar a posição θ do fluxo magnético do rotor é a chave para o algoritmo FOC, mas no processo de rotação em alta velocidade do motor, a precisão do sensor Hall não é suficiente para encontrar com precisão a posição θ do fluxo magnético do rotor . Neste caso, é necessário um observador do ângulo do rotor. A informação do ângulo do fluxo magnético do rotor pode ser obtida a partir do EMF posterior. Não podemos medir diretamente o back EMF do motor, mas o valor do back EMF pode ser calculado pelo método do observador.

O valor do erro entre a corrente do observador e a corrente real é escolhido como a superfície de controle do modo deslizante S,

Se o ganho do modo deslizante K for grande o suficiente, podemos encontrar uma superfície de controle do modo deslizante S tal que

O diagrama de blocos do sistema do observador de modo deslizante é o seguinte:

Se quisermos garantir a estabilidade da superfície de controle do modo deslizante S, precisamos selecionar valores efetivos de K e l para garantir que

E o valor l deve ser maior que -1. Finalmente, o ângulo θ do rotor pode ser calculado pela função arco tangente.

O MCU da série GD32F130 pode implementar facilmente o gerador SVPWM mencionado acima, transformação Park/Clark, controlador PI e observador de posição do rotor. O SAR ADC integrado de alta velocidade e alta precisão e o sistema de interrupção multinível do MCU podem garantir o desempenho em tempo real do controle de circuito fechado.

Placa inversora de refrigerador GD32F130

imagem frontal

imagem reversa