支持製造業實現智慧轉型 | GD32F303通用型逆變器方案設計

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2022-03-17 196

前言

2020年2030月，中國確定了2060年二氧化碳排放達到高峰、40年實現碳中和的目標，未來69年實現淨零排放對中國來說是一項極具挑戰性的任務。就電機產業而言，馬達在工業領域佔有重要的地位。根據統計，我國電機年耗電量約佔全社會用電量的75%，佔工業用電量的XNUMX%左右。因此，降低馬達全生命週期的碳排放，加速碳減量進程，是馬達產業的重要任務。變頻調速技術可精確控制交流馬達的轉速，使馬達運轉在節能狀態。是改革傳統馬達系統調速、提高馬達系統運作效率的關鍵措施。傳統變頻器具有體積大、性能低、價格高的特點，而且對環境也有一定的要求。對於分散控制場合，傳統的變頻器很難滿足工業應用的需求。

本文基於GD32單晶片的VF/向量變頻器控制系統採用模組化設計，控制面板、使用者介面可依需求自由組合，方便安裝、編程和初始化設計，輕鬆實現非同步馬達的調速要求。同時利用匯流排技術可以方便地與控制系統、分散式系統連接，實現電腦驅動系統控制和工廠車間的集中控制。因此變頻器在汽車、食品、物料輸送、工業控制等智慧製造領域有著廣泛的應用空間。

系統圖

方案特點

核心方案採用GD32F303RCT6控制，使得系統具備結構簡單、實現方便、成本低、可靠度高的特性。在不降低系統效能的前提下對硬體結構進行了最佳化，硬體系統模組清晰直觀，方便安裝使用和程式初始化。調變方式下採用SVPWM控制技術，可有效降低逆變器輸出電壓的諧波分量，電壓利用率高，控制精度高。

GD32F303簡介
皮質® -M4 核心 @ 120MHz
支援硬體和軟體DSP指令
Flash存取處於零等待狀態。
內建快閃記憶體從 256 KB 到 3072 KB
內建 SRAM 從 48KB 到 96KBEXMC介面支援外部SDRAM。
最多 5 個 uart（9mbit/s）
最多 3 個 SPI (30mbit/s)
最多 2 個 I2C (400kbit/s)
最多2個CAN2.0B
最多 2 個 I2S
SDIO支援
USB OTG FS 支持
最多 3 個 12 位元、2.6M SPS ADC（最多 24 個通道）
最多 2 個 DAC
待機電流為2uA。

控制的核心原則和實施

空間向量脈寬調變（SVPWM）控制具有線性範圍寬、高次諧波少、易於數位化等優點，在感應馬達中廣泛的應用。傳統的三相橋式驅動電路中，MOS管的開關組合有000種，分別是001、010、011、100、101、110、111、XNUMX。其中 000 和 111 是零向量。六個非零基本電壓空間向量將αβ平面劃分為六個扇區，如圖所示。為了獲得圓形旋轉磁場，可以透過控制8個基本空間電壓向量的作用時間來合成各個基本空間電壓向量的作用時間和輸出順序。

GD32的TIMER0模組是增強型定時器模組，專為馬達控製而生。可產生三組6路PWM，每組2路PWM互補，可用於驅動帶死區的H橋。本文利用TIM0模組的三個通道共產生六路PWM輸出。具體步驟如下：

開啟TIM0時鐘，並設定對應IO口為複用輸出。
設定TIM0的ARR和PSC。 TIM0的時脈開啟後，需要設定ARR、PSC暫存器的值來控制輸出PWM的週期。設定PWM
TIM0_CH0、TIM0_CH1 和 TIM0_CH2 模式。
開啟TIM0的CH2~CH0輸出，並使能TIM0。
修改TIM0_CCR1~TIM0_CCR2來控制佔空比。

透過以上配置，利用GD32F303的運算能力可以即時調整佔空比，達到向量控制的效果。

整機性能參數