簡介：兆易創新是國內MCU系列產品的巨頭公司。在他們的系列MCU設計解決方案中，他們與SKLOR有著廣泛的合作。

採用GD32F130系列MCU設計冰箱壓縮機變頻板方案

冰箱壓縮機變頻方案概述

本文介紹的變頻板可用於冰箱壓縮機的變頻控制，也可用於油煙機、空調的變頻控制。此方案基於兆易創新的GD32F130系列MCU設計。此MCU搭載Cortex-M3內核，可透過軟體實現PI控制、SVPWM產生器、馬達狀態觀測器；先進的定時器可直接產生6路互補死區可調PWM，晶片滿足工業級工作溫度及ESD、EMI標準，非常適合PMSM、BLDC變頻調速控制。

GD32F130系列MCU主要規格

Cortex-M3@48Mhz，50 MIPS處理效能；

快閃記憶體：64KB/32KB/16KB；

靜態隨機記憶體：8KB/4KB/4KB；

高速高精度ADC，12Bits ADC x 1@2.6Msps，10通道；

進階定時器 x1，可產生 6 個互補 PWM 輸出，死區時間可調。通用定時器x6；

Flash具有硬體加密保護；

多種串列通訊方式：I2C x2、SPI x2、UART x2；

豐富的封裝類型：TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

工業級工作溫度範圍：-40℃~+85℃；

工業級ESD特性：6000伏特；

變頻板主要規格及參數

額定輸出功率200W，母線電壓310V，最大工作電流2A；

磁場定向方式，正弦波電流，無感測器啟動與控制；

3 電阻電流取樣；

逆變電路由6個功率MOSFET構成；

馬達控制系統的控制框圖如下：

中期行動計畫的實施

如圖系統框圖所示，整個系統為雙閉環控制，內環為電流控制環，外環為速度控制環。設轉子磁通方向為d軸，q軸為d軸的正交軸，電流環的控制目的為使定子電流與磁通解耦，控制定子電流流向q軸。

對於SPM電機，我們將d軸的目標控制值id設為0，並將定子上的所有電流控製到q軸，以獲得每安培最大扭矩（MTPA）。此時，PMSM馬達的扭力和轉速僅與q軸電流分量有關。然後我們透過速度控制環來控制d軸上的電流，實現雙閉環控制。

實際工作中，由於SPM馬達的結構並不理想，d軸上的實際電流不為0；同時，我們也會有目的地控制d軸上的電流，以達到馬達超過Base速度運轉；這時，我們需要在d軸上加入弱磁控制器來確保MTPA的實現。 SPM馬達運轉時向量圖如下：

實施方便之法

PMSM馬達實際接線中存在a、b、c三相電流。現在我們需要將a、b、c三相電流與D軸電流和Q軸電流連接起來。我們需要使用Clark和Park的兩個數學變換：

? Clark變換：(a,b,c)→(α,β)，α、β為兩相正交靜止座標系；

?Park變換：(α,β)→(D,Q)，D、Q為兩相正交旋轉座標系，其中θ為轉子磁通位置；

透過Clark和Park的兩次數學變化，我們可以將PMSM馬達的a、b、c三相電流分解為D軸和Q軸，從而實現磁場定向控制（FOC）。我們也可以發現，整個FOC控制的關鍵點就是找到轉子的磁通位置θ。

SVPWM的實現

我們也可以利用 Park 逆變換將定子電流從 D、Q 空間轉換到 α、β 空間。完成磁場定向後，PMSM馬達控制的最後一步是產生作用於馬達三相端子的PWM電壓。根據三相逆變器的8種開關狀態，我們可以列出空間向量調變逆變器狀態表：

其中，當A、B、C三相均為0、1時，為無效狀態。我們將這兩個狀態向量放在空間的原點，剩下的6個向量狀態U0→U300只是在空間中畫一個正六邊形。傳統的6步驟控制馬達的方法是將這6個電壓向量依序加到馬達的定子端。

空間向量調變（SVPWM）的目的是在向量空間中形成360度等幅旋轉電壓向量，從而減少逆變器輸出的電流諧波分量，並減少轉矩脈動。 SVPWM的實作方法是利用兩個相鄰的基本電壓向量在向量空間中合成旋轉電壓向量Uout，Uout的最大值約為0.886*VDC。以第一象限為例，

其中，T1為一個PWM週期內電壓向量U0的作用時間，T2為一個PWM週期內電壓向量U60的作用時間，T0為零序分量的作用時間。

我們首先利用V_α和V_β的值來確定扇區扇區，然後根據三角函數和Vdc的值計算T1、T2和T0的值。

A=V_β；

B= 1.7320508*V_α-V_β；

C= -1.7320508*V_α-V_β;

if(A>= 0) {a= 1;} 否則 a= 0;

if(B>= 0) {b= 1;} 否則 b= 0;

if(C>= 0) {c= 1;} 否則 c= 0;

N=a+2*b+4*c；

開關(N)

{

情況 1：扇區 = 2；休息;

情況 2：扇區 = 6；休息;

情況 3：扇區 = 1；休息;

情況 4：扇區 = 4；休息;

情況 5：扇區 = 3；休息;

情況 6：扇區 = 5；休息;

預設：中斷；

}

為了減少逆變電路中MOSFET的開關時間，可以採用7段空間向量合成法，每個向量磁區以零向量（000）開始和結束，中間為零向量（111），其餘時間均為有效向量。如下圖所示：

將SVPWM電壓施加到PMSM馬達的三相端子後，可以看到馬鞍形的相電壓波形，如下圖所示：

轉子角度觀測器的實現

求轉子磁通的位置θ是FOC演算法的關鍵，但在馬達高速旋轉的過程中，霍爾感測器的精確度不足以準確求出轉子磁通的位置θ 。在這種情況下，就需要轉子角觀測器。轉子磁通的角度資訊可以從反電動勢獲得。我們無法直接測量馬達的反電動勢，但可以透過觀測器方法計算出反電動勢的值。

選取觀測電流與真實電流之間的誤差值作為滑模控制面S，

如果滑模增益K夠大，我們可以找到一個滑模控制面S使得

滑模觀測器的系統框圖如下：

如果要確保滑模控制面S的穩定性，需要選擇有效的K和l值，以確保

且l值必須大於-1。最後，可以透過反正切函數計算出轉子的角度θ。

GD32F130系列MCU可以輕鬆實現上述SVPWM產生器、Park/Clark變換、PI控制器和轉子位置觀測器。 MCU內建高速高精度SAR ADC和多級中斷系統，可確保閉環控制的即時性。

GD32F130冰箱變頻板

正面圖像

反轉圖像