บทนำ: Zhaoyi Innovation เป็นบริษัทยักษ์ใหญ่ด้านผลิตภัณฑ์ซีรีส์ MCU ในประเทศ ในซีรีส์โซลูชันการออกแบบ MCU พวกเขามีความร่วมมืออย่างกว้างขวางกับ SKLOR

ใช้ MCU ซีรีส์ GD32F130 เพื่อออกแบบโครงร่างบอร์ดอินเวอร์เตอร์คอมเพรสเซอร์ตู้เย็น

ภาพรวมโครงร่างอินเวอร์เตอร์คอมเพรสเซอร์ตู้เย็น

บอร์ดแปลงความถี่ที่แนะนำในบทความนี้สามารถใช้ควบคุมการแปลงความถี่ของคอมเพรสเซอร์ตู้เย็น และยังสามารถใช้ควบคุมการแปลงความถี่ของเครื่องดูดควันและเครื่องปรับอากาศได้อีกด้วย วงจรนี้ใช้การออกแบบ MCU ซีรีส์ GD32F130 ของ GigaDevice MCU นี้มีแกนประมวลผล Cortex-M3 ซึ่งสามารถควบคุม PI, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า SVPWM และเครื่องตรวจสอบสถานะมอเตอร์ผ่านซอฟต์แวร์ ตัวจับเวลาขั้นสูงสามารถสร้าง PWM แบบปรับโซนตายเสริมได้ 6 ช่องสัญญาณโดยตรง ชิปนี้ตรงตามมาตรฐานอุณหภูมิการทำงานและ ESD, EMI ในระดับอุตสาหกรรม และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการควบคุมความเร็วความถี่แปรผัน PMSM และ BLDC

ข้อมูลจำเพาะหลักของ MCU ซีรีส์ GD32F130

Cortex-M3@48Mhz ประสิทธิภาพการประมวลผล 50 MIPS;

แฟลช: 64KB/32KB/16KB;

สแรม: 8KB/4KB/4KB;

ADC ความแม่นยำสูงความเร็วสูง, 12 บิต ADC x 1@2.6Msps, 10 ช่อง;

ตัวจับเวลาขั้นสูง x1 ซึ่งสามารถสร้างเอาต์พุต PWM เสริม 6 ตัวพร้อมเวลาตายที่ปรับได้ ตัวจับเวลาทั่วไป x6;

แฟลชพร้อมการป้องกันการเข้ารหัสฮาร์ดแวร์

วิธีการสื่อสารแบบอนุกรมต่างๆ: I2C x2, SPI x2, UART x2;

ประเภทแพ็คเกจที่หลากหลาย: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

ช่วงอุณหภูมิการทำงานระดับอุตสาหกรรม: -40 ℃~+85 ℃;

ลักษณะ ESD เกรดอุตสาหกรรม: 6000 โวลต์

คุณสมบัติหลักและพารามิเตอร์ของบอร์ดอินเวอร์เตอร์

กำลังขับพิกัด 200W, แรงดันไฟฟ้าบัส 310V, กระแสไฟฟ้าทำงานสูงสุด 2A;

วิธีการเชิงสนามแม่เหล็ก กระแสคลื่นไซน์ การเริ่มต้นและการควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์

3 การสุ่มตัวอย่างกระแสไฟฟ้าของตัวต้านทาน

วงจรอินเวอร์เตอร์สร้างด้วย Power MOSFET จำนวน 6 ตัว

แผนภาพบล็อกควบคุมของระบบควบคุมมอเตอร์มีดังนี้:

การดำเนินการตาม MTPA

ดังที่แสดงในแผนภาพบล็อกระบบ ทั้งระบบเป็นตัวควบคุมวงปิดคู่ วงในเป็นวงควบคุมปัจจุบัน และวงรอบนอกเป็นวงควบคุมความเร็ว ตั้งค่าทิศทางฟลักซ์แม่เหล็กของโรเตอร์เป็นแกน d แกน q คือแกนตั้งฉากของแกน d วัตถุประสงค์ในการควบคุมของลูปกระแสคือเพื่อแยกกระแสสเตเตอร์และฟลักซ์แม่เหล็ก และควบคุมกระแสสเตเตอร์ไปที่แกน q

สำหรับมอเตอร์ SPM เราตั้งค่า ID ควบคุมเป้าหมายของแกน d เป็น 0 และควบคุมกระแสทั้งหมดบนสเตเตอร์เป็นแกน q เพื่อให้ได้แรงบิดสูงสุดต่อแอมแปร์ (MTPA) ในขณะนี้ แรงบิดและความเร็วของมอเตอร์ PMSM จะสัมพันธ์กับส่วนประกอบกระแสของแกน q เท่านั้น จากนั้นเราจะควบคุมกระแสบนแกน d ผ่านลูปควบคุมความเร็วเพื่อให้ได้การควบคุมลูปปิดสองชั้น

ในงานจริง เนื่องจากโครงสร้างของมอเตอร์ SPM ไม่เหมาะ กระแสจริงบนแกน d ไม่เป็น 0; ในเวลาเดียวกัน เราจะควบคุมกระแสบนแกน d อย่างตั้งใจ เพื่อให้มอเตอร์มีความเร็วเกินการทำงานของฐาน ในเวลานี้ เราจำเป็นต้องเพิ่มตัวควบคุมการลดความแรงของสนามให้กับแกน d เพื่อให้แน่ใจว่า MTPA จะเกิดขึ้นจริง แผนภาพเวกเตอร์เมื่อมอเตอร์ SPM ทำงานเป็นดังนี้:

การดำเนินการ FOC

มีกระแสสามเฟส a, b, c ในการเดินสายจริงของมอเตอร์ PMSM ตอนนี้เราต้องเชื่อมต่อกระแสสามเฟส a, b และ c กับกระแสแกน D และกระแสแกน Q เราจำเป็นต้องใช้การแปลงทางคณิตศาสตร์ทั้งสองของคลาร์กและปาร์ค:

การแปลงคลาร์ก: (a, b, c) → (α, β), α, β เป็นระบบพิกัดคงที่ตั้งฉากสองเฟส

การแปลงพาร์ค: (α, β)→(D, Q), D, Q เป็นระบบพิกัดหมุนตั้งฉากสองเฟส โดยที่ θ คือตำแหน่งฟลักซ์แม่เหล็กของโรเตอร์

ด้วยการเปลี่ยนแปลงทางคณิตศาสตร์ทั้งสองของคลาร์กและปาร์ค เราสามารถแยกกระแสสามเฟส a, b และ c ของมอเตอร์ PMSM ให้เป็นแกน D และแกน Q ได้ ดังนั้นจึงทำให้เกิดการควบคุมเชิงสนาม (FOC) นอกจากนี้เรายังพบว่าจุดสำคัญของการควบคุม FOC ทั้งหมดคือการหาตำแหน่งฟลักซ์แม่เหล็ก θ ของโรเตอร์

การดำเนินการ SVPWM

นอกจากนี้เรายังสามารถใช้การแปลงอุทยานผกผันเพื่อแปลงกระแสสเตเตอร์จากปริภูมิ D, Q ไปเป็นปริภูมิ α, β หลังจากวางแนวสนามแม่เหล็กเสร็จแล้ว ขั้นตอนสุดท้ายของการควบคุมมอเตอร์ PMSM คือการสร้างแรงดันไฟฟ้า PWM ที่กระทำต่อขั้วต่อสามเฟสของมอเตอร์ ตามสถานะการสลับ 8 สถานะของอินเวอร์เตอร์สามเฟส เราสามารถแสดงรายการตารางสถานะอินเวอร์เตอร์การปรับเวกเตอร์อวกาศ:

ในหมู่พวกเขา เมื่อสามเฟสของ A, B และ C เป็น 0 และ 1 ทั้งหมด ถือเป็นสถานะที่ไม่ถูกต้อง เราวางเวกเตอร์สถานะทั้งสองนี้ไว้ที่จุดกำเนิดของปริภูมิ และเวกเตอร์ที่เหลืออีก 6 สถานะ U0→U300 เพียงแค่วาดรูปหกเหลี่ยมปกติในปริภูมิ วิธีการ 6 ขั้นตอนแบบดั้งเดิมในการควบคุมมอเตอร์คือการเพิ่มเวกเตอร์แรงดันไฟฟ้าทั้ง 6 ตัวไปที่ปลายสเตเตอร์ของมอเตอร์ตามลำดับ

วัตถุประสงค์ของการปรับเวกเตอร์สเปซเวคเตอร์ (SVPWM) คือการสร้างเวกเตอร์แรงดันไฟฟ้าในการหมุนแอมพลิจูดเท่ากัน 360 องศาในพื้นที่เวกเตอร์ ซึ่งจะช่วยลดเอาท์พุตส่วนประกอบฮาร์มอนิกปัจจุบันโดยอินเวอร์เตอร์และลดการกระเพื่อมของแรงบิด วิธีการนำ SVPWM ไปใช้คือการใช้เวกเตอร์แรงดันไฟฟ้าพื้นฐานสองตัวที่อยู่ติดกันเพื่อสังเคราะห์เวกเตอร์แรงดันไฟฟ้าหมุน Uout ในปริภูมิเวกเตอร์ และค่าสูงสุดของ Uout คือประมาณ 0.886*VDC ยกตัวอย่างจตุภาคแรก

ในจำนวนนั้น T1 คือเวลาดำเนินการของเวกเตอร์แรงดันไฟฟ้า U0 ในวงจร PWM หนึ่งรอบ T2 คือเวลาการทำงานของเวกเตอร์แรงดันไฟฟ้า U60 ในวงจร PWM หนึ่งรอบ และ T0 คือเวลาการทำงานขององค์ประกอบลำดับศูนย์

ขั้นแรกเราใช้ค่าของ V_α และ V_β เพื่อกำหนดเซกเตอร์เซกเตอร์ จากนั้นคำนวณค่าของ T1, T2 และ T0 ตามฟังก์ชันตรีโกณมิติและค่าของ Vdc

ก= V_β;

B= 1.7320508*V_α-V_β;

C= -1.7320508*V_α-V_β;

ถ้า(A>= 0) {a= 1;} อื่น ๆ = 0;

ถ้า(B>= 0) {b= 1;} อื่น b= 0;

ถ้า(C>= 0) {c= 1;} อื่น ๆ c= 0;

ยังไม่มีข้อความ=ก+2*ข+4*ค;

สวิตช์(ยังไม่มีข้อความ)

{

กรณีที่ 1: ภาค = 2; หยุดพัก;

กรณีที่ 2: ภาค = 6; หยุดพัก;

กรณีที่ 3: ภาค = 1; หยุดพัก;

กรณีที่ 4: ภาค = 4; หยุดพัก;

กรณีที่ 5: ภาค = 3; หยุดพัก;

กรณีที่ 6: ภาค = 5; หยุดพัก;

ค่าเริ่มต้น: หยุด;

}

เพื่อลดเวลาการสลับของ MOSFET ในวงจรอินเวอร์เตอร์ สามารถใช้วิธีการสังเคราะห์เวกเตอร์อวกาศ 7 ส่วน เริ่มต้นและสิ้นสุดด้วยเวกเตอร์ศูนย์ (000) ในแต่ละเซกเตอร์เวกเตอร์ โดยมีเวกเตอร์ศูนย์ (111) อยู่ใน ตรงกลาง และเวลาที่เหลือด้วยเวกเตอร์ที่ถูกต้อง ดังที่แสดงด้านล่าง:

หลังจากใช้แรงดันไฟฟ้า SVPWM กับขั้วต่อสามเฟสของมอเตอร์ PMSM แล้ว จะเห็นรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าเฟสรูปทรงอาน ดังแสดงในรูปต่อไปนี้:

การใช้งานเครื่องสังเกตการณ์มุมโรเตอร์

การค้นหาตำแหน่ง θ ของฟลักซ์แม่เหล็กของโรเตอร์เป็นกุญแจสำคัญของอัลกอริทึม FOC แต่ในกระบวนการหมุนด้วยความเร็วสูงของมอเตอร์ ความแม่นยำของเซ็นเซอร์ฮอลล์ไม่เพียงพอที่จะค้นหาตำแหน่ง θ ของฟลักซ์แม่เหล็กของโรเตอร์ได้อย่างแม่นยำ . ในกรณีนี้จำเป็นต้องมีผู้สังเกตการณ์มุมโรเตอร์ ข้อมูลมุมของฟลักซ์แม่เหล็กของโรเตอร์สามารถรับได้จาก EMF ด้านหลัง เราไม่สามารถวัด EMF ด้านหลังของมอเตอร์ได้โดยตรง แต่ค่าของ EMF ด้านหลังสามารถคำนวณได้โดยวิธีการสังเกตการณ์

ค่าความผิดพลาดระหว่างกระแสของผู้สังเกตและกระแสจริงถูกเลือกเป็นพื้นผิวควบคุมโหมดเลื่อน S

หากค่า K ของโหมดเลื่อนมีขนาดใหญ่พอ เราจะพบพื้นผิวควบคุมโหมดเลื่อน S เช่นนั้น

แผนภาพบล็อกระบบของผู้สังเกตการณ์โหมดเลื่อนมีดังนี้:

หากเราต้องการมั่นใจในความเสถียรของพื้นผิวควบคุมโหมดเลื่อน S เราจำเป็นต้องเลือกค่า K และ l ที่มีประสิทธิผลเพื่อให้แน่ใจว่า

และค่า l ต้องมากกว่า -1 ในที่สุด มุม θ ของโรเตอร์สามารถคำนวณได้จากฟังก์ชันอาร์กแทนเจนต์

MCU ซีรีส์ GD32F130 สามารถใช้เครื่องกำเนิด SVPWM ที่กล่าวถึงข้างต้น การแปลง Park/Clark ตัวควบคุม PI และผู้สังเกตการณ์ตำแหน่งโรเตอร์ได้อย่างง่ายดาย SAR ADC ความเร็วสูงและความแม่นยำสูงในตัวและระบบขัดจังหวะหลายระดับของ MCU ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ของการควบคุมวงปิด

GD32F130 บอร์ดอินเวอร์เตอร์ตู้เย็น

ภาพด้านหน้า

ภาพย้อนกลับ