Introducción: Zhaoyi Innovation es una empresa gigante de productos nacionales de la serie MCU. En su serie de soluciones de diseño de MCU, tienen una amplia cooperación con SKLOR.

Uso de MCU de la serie GD32F130 para diseñar un esquema de placa inversora de compresor de refrigerador

Descripción general del esquema del inversor del compresor del refrigerador

El tablero de conversión de frecuencia presentado en este artículo se puede usar para el control de conversión de frecuencia de compresores de refrigeradores y también se puede usar para el control de conversión de frecuencia de campanas extractoras y acondicionadores de aire. El esquema se basa en el diseño de MCU de la serie GD32F130 de GigaDevice. La MCU está equipada con un núcleo Cortex-M3, que puede realizar control PI, generador SVPWM y observador del estado del motor mediante software; Un temporizador avanzado puede generar directamente 6 canales de PWM ajustable complementario en zona muerta. El chip cumple con la temperatura de funcionamiento de grado industrial y ESD, Estándares EMI y es muy adecuado para control de velocidad de frecuencia variable PMSM, BLDC.

Especificaciones principales del MCU serie GD32F130

Cortex-M3@48Mhz, rendimiento de procesamiento de 50 MIPS;

Flash: 64 KB/32 KB/16 KB;

SRAM: 8KB/4KB/4KB;

ADC de alta velocidad y alta precisión, ADC de 12 bits x 1 a 2.6 Msps, 10 canales;

Temporizador avanzado x1, que puede generar 6 salidas PWM complementarias con tiempo muerto ajustable. temporizador general x6;

Flash con protección de cifrado de hardware;

Varios métodos de comunicación en serie: I2C x2, SPI x2, UART x2;

Tipos de paquetes enriquecidos: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64

Rango de temperatura de funcionamiento de grado industrial: -40 ℃ ~ +85 ℃;

Grado industrial ESD características: 6000 Voltios;

Principales especificaciones y parámetros de la placa inversora.

Potencia nominal de salida 200 W, voltaje de bus de 310 V, corriente máxima de trabajo 2 A;

Método orientado al campo magnético, corriente de onda sinusoidal, arranque y control sin sensores;

3 muestreo de corriente de resistencia;

El circuito inversor está construido por 6 Power MOSFETs;

El diagrama de bloques de control del sistema de control del motor es el siguiente:

Implementación de MTPA

Como se muestra en el diagrama de bloques del sistema, todo el sistema es un control de circuito cerrado doble, el circuito interno es un circuito de control de corriente y el circuito externo es un circuito de control de velocidad. Establezca la dirección del flujo magnético del rotor como el eje d, el eje q es el eje ortogonal del eje d, el propósito de control del bucle de corriente es desacoplar la corriente del estator y el flujo magnético, y controlar la corriente del estator al eje q.

Para el motor SPM, establecemos el valor de control objetivo id del eje d en 0 y controlamos toda la corriente en el estator hacia el eje q para obtener el par máximo por amperio (MTPA). En este momento, el par y la velocidad del motor PMSM solo están relacionados con el componente actual del eje q. Luego controlamos la corriente en el eje d a través del bucle de control de velocidad para lograr un control de bucle cerrado doble.

En el trabajo real, dado que la estructura del motor SPM no es ideal, la corriente real en el eje d no es 0; al mismo tiempo, también controlaremos intencionalmente la corriente en el eje d, para lograr que el motor exceda la velocidad base de operación; en este momento, necesitamos agregar un controlador de debilitamiento de campo al eje d para garantizar la realización de MTPA. El diagrama vectorial cuando el motor SPM está en marcha es el siguiente:

Implementación de BDC

Hay corrientes trifásicas a, b, c en el cableado real del motor PMSM. Ahora necesitamos conectar las corrientes trifásicas a, byc con la corriente del eje D y la corriente del eje Q. Necesitamos utilizar las dos transformaciones matemáticas de Clark y Park:

• Transformada de Clark: (a, b, c) → (α, β), α, β son sistemas de coordenadas estacionarias ortogonales de dos fases;

•Transformación de Park: (α, β)→(D, Q), D, Q es un sistema de coordenadas giratorias ortogonales de dos fases, donde θ es la posición del flujo magnético del rotor;

A través de los dos cambios matemáticos de Clark y Park, podemos descomponer las corrientes trifásicas a, b y c del motor PMSM en el eje D y el eje Q, logrando así el control orientado al campo (FOC). También podemos encontrar que el punto clave de todo el control FOC es encontrar la posición del flujo magnético θ del rotor.

Implementación de SVPWM

También podemos usar la transformación inversa de Park para convertir la corriente del estator del espacio D, Q al espacio α, β. Después de completar la orientación del campo magnético, el último paso del control del motor PMSM es generar voltaje PWM que actúa sobre los terminales trifásicos del motor. Según los 8 estados de conmutación del inversor trifásico, podemos enumerar la tabla de estados del inversor de modulación del vector espacial:

Entre ellos, cuando las tres fases de A, B y C son todas 0 y 1, es un estado no válido. Colocamos estos dos vectores de estado en el origen del espacio, y los 6 estados vectoriales restantes U0→U300 simplemente dibujan un hexágono regular en el espacio. El método tradicional de 6 pasos para controlar el motor es agregar estos 6 vectores de voltaje al extremo del estator del motor por turno.

El propósito de la modulación del vector espacial (SVPWM) es formar un vector de voltaje giratorio de igual amplitud de 360 ​​grados en el espacio vectorial, reduciendo así los componentes armónicos de corriente emitidos por el inversor y reduciendo la ondulación del par. El método de implementación de SVPWM es utilizar dos vectores de voltaje básicos adyacentes para sintetizar el vector de voltaje giratorio Uout en el espacio vectorial, y el valor máximo de Uout es aproximadamente 0.886 * VCC. Tomando como ejemplo el primer cuadrante,

Entre ellos, T1 es el tiempo de acción del vector de voltaje U0 en un ciclo PWM, T2 es el tiempo de acción del vector de voltaje U60 en un ciclo PWM y T0 es el tiempo de acción del componente de secuencia cero.

Primero usamos los valores de V_α y V_β para determinar el sector del sector, y luego calculamos los valores de T1, T2 y T0 de acuerdo con la función trigonométrica y el valor de Vdc.

A= V_β;

B= 1.7320508*V_α-V_β;

C= -1.7320508*V_α-V_β;

si(A>= 0) {a= 1;} sino a= 0;

si(B>= 0) {b= 1;} si no b= 0;

si(C>= 0) {c= 1;} si no c= 0;

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

interruptor(norte)

{

caso 1: sector = 2; romper;

caso 2: sector = 6; romper;

caso 3: sector = 1; romper;

caso 4: sector = 4; romper;

caso 5: sector = 3; romper;

caso 6: sector = 5; romper;

predeterminado: descanso;

}

Para reducir los tiempos de conmutación de MOSFETs en el circuito inversor, se puede utilizar un método de síntesis de vectores espaciales de 7 segmentos, comenzando y terminando con un vector cero (000) en cada sector vectorial, con un vector cero (111) en el medio, y el resto del tiempo con vector válido. Como se muestra abajo:

Después de aplicar el voltaje SVPWM a los terminales trifásicos del motor PMSM, se puede ver la forma de onda del voltaje de fase en forma de silla, como se muestra en la siguiente figura:

Implementación del observador del ángulo del rotor

Encontrar la posición θ del flujo magnético del rotor es la clave del algoritmo FOC, pero en el proceso de rotación de alta velocidad del motor, la precisión del sensor Hall no es suficiente para encontrar con precisión la posición θ del flujo magnético del rotor. . En este caso se necesita un observador del ángulo del rotor. La información del ángulo del flujo magnético del rotor se puede obtener del EMF posterior. No podemos medir directamente la FEM trasera del motor, pero el valor de la FEM trasera se puede calcular mediante el método del observador.

El valor de error entre la corriente del observador y la corriente real se elige como la superficie de control del modo deslizante S,

Si la ganancia del modo deslizante K es lo suficientemente grande, podemos encontrar una superficie de control del modo deslizante S tal que

El diagrama de bloques del sistema del observador de modo deslizante es el siguiente:

Si queremos garantizar la estabilidad de la superficie de control del modo deslizante S, debemos seleccionar valores efectivos de K y l para garantizar que

Y el valor de l debe ser mayor que -1. Finalmente, el ángulo θ del rotor se puede calcular mediante la función arcotangente.

La MCU de la serie GD32F130 puede implementar fácilmente el generador SVPWM, la transformación Park/Clark, el controlador PI y el observador de posición del rotor mencionados anteriormente. El ADC SAR de alta velocidad y alta precisión incorporado y el sistema de interrupción multinivel de la MCU pueden garantizar el rendimiento en tiempo real del control de circuito cerrado.

Placa inversora de refrigerador GD32F130

imagen frontal

imagen inversa