利用GD32F130系列MCU設(shè)計(jì)冰箱壓縮機(jī)變頻板方案的介紹和應(yīng)用分析

本文介紹的變頻板可用于冰箱壓縮機(jī)變頻控制，同時(shí)也可用于油煙機(jī)，空調(diào)內(nèi)風(fēng)機(jī)的變頻控制。方案基于兆易創(chuàng)新GigaDevice的GD32F130系列MCU設(shè)計(jì)，MCU配備Cortex-M3內(nèi)核，可軟件實(shí)現(xiàn)PI控制，SVPWM生成器，電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器；一個(gè)高級(jí)定時(shí)器可直接產(chǎn)生6路互補(bǔ)死區(qū)可調(diào)PWM, 芯片滿足工業(yè)級(jí)的工作溫度和ESD, EMI標(biāo)準(zhǔn)，非常適合于PMSM, BLDC的變頻調(diào)速控制。

GD32F130系列MCU主要規(guī)格

Cortex-M3@48Mhz, 50 MIPS的處理性能；

Flash：64KB/32KB/16KB;

SRAM：8KB/4KB/4KB;

高速高精度ADC, 12Bits ADC x1@2.6Msps，10通道；

高級(jí)定時(shí)器x1，可產(chǎn)生6路死區(qū)可調(diào)的互補(bǔ)PWM輸出。通用定時(shí)器x6；

Flash帶硬件加密保護(hù)；

多種串行通訊方式：I2C x2, SPI x2, UART x2；

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

工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍：-40℃~+85℃；

工業(yè)級(jí)的ESD特性：6000 Volt；

變頻板主要規(guī)格參數(shù)

額定輸出功率200W，310V母線電壓，最大工作電流2A；

磁場(chǎng)定向法，正弦波電流，無傳感器啟動(dòng)及控制；

3電阻電流采樣；

逆變電路由6個(gè)Power MOSFET搭建成;

電機(jī)控制系統(tǒng)控制框圖如下：

MTPA的實(shí)現(xiàn)

如系統(tǒng)框圖所示，整個(gè)系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)路，外環(huán)為速度控制環(huán)路。設(shè)定轉(zhuǎn)子磁通方向?yàn)閐-axis，q-axis是d-axis的正交軸向，電流環(huán)路的控制目的是為了將定子的電流和磁通解耦，將定子的電流都控制到q-axis上。

針對(duì)于SPM電機(jī)，我們將d-axis的目標(biāo)控制量id設(shè)為0，將定子上的電流全部控制到q-axis上，從而獲得Maximum Torque Per Ampere（MTPA）。此時(shí)，PMSM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速只與q-axis的電流分量有關(guān)，我們?cè)偻ㄟ^速度控制環(huán)路來控制d-axis上的電流，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。

在實(shí)際的工作中，由于SPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)并不是理想情況，d-axis上的實(shí)際電流也并不為0；同時(shí)，我們也會(huì)有目的的去控制d-axis上的電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)超出基速運(yùn)轉(zhuǎn);此時(shí)，我們需要在d-axis上面加上弱磁控制器，從而確保MTPA的實(shí)現(xiàn)。SPM電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的矢量圖如下：

FOC的實(shí)現(xiàn)

PMSM電機(jī)實(shí)際接線時(shí)有a，b，c三相電流，我們現(xiàn)在需要把a(bǔ)，b，c三相電流與D axis電流和Q axis電流聯(lián)系起來，需要用到Clark 和Park 這2個(gè)數(shù)學(xué)變換：

Clark變換：（a，b，c）→（α，β），α，β為兩相正交靜止的坐標(biāo)系；

Park變換：（α，β）→（D，Q）,D，Q為兩相正交旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其中θ是轉(zhuǎn)子磁通位置；

通過Clark和Park兩個(gè)數(shù)學(xué)變化，我們可以將PMSM電機(jī)的a，b，c三相電流分解到D axis和Q axis上來，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制(FOC)。我們還可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)FOC控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于找到轉(zhuǎn)子的磁通位置θ。

SVPWM的實(shí)現(xiàn)

我們利用反Park變換也可以將定子的電流從D，Q空間轉(zhuǎn)換到α，β空間下，完成了磁場(chǎng)定向后，PMSM電機(jī)控制的最后一步就是要產(chǎn)生作用在電機(jī)三相端子上的PWM電壓。根據(jù)三相逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)，我們可以列出空間矢量調(diào)制逆變器狀態(tài)表：

其中A,B,C三相都為0和1時(shí)為無效狀態(tài)，我們將這兩個(gè)狀態(tài)矢量放置在空間的原點(diǎn)，其余6個(gè)矢量狀態(tài)U0→U300剛好在空間繪成一個(gè)正6邊形。傳統(tǒng)的6步法控制電機(jī)就是將這6個(gè)電壓向量依次加在電機(jī)的定子端。

空間矢量調(diào)制(SVPWM)的目的是在矢量空間內(nèi)形成一個(gè)360度等幅旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，從而減少逆變器輸出的電流諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。SVPWM的實(shí)現(xiàn)方法，則是利用相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量來合成矢量空間中的旋轉(zhuǎn)電壓矢量Uout，Uout的最大值約為0.886*VDC。舉第一象限為例，

其中，T1為電壓矢量U0在一個(gè)PWM周期內(nèi)的作用時(shí)間，T2為電壓矢量U60在一個(gè)PWM周期內(nèi)的作用時(shí)間，T0為零序分量的作用時(shí)間。

我們先利用V_α和V_β的值確定扇區(qū)sector，再根據(jù)三角函數(shù)和Vdc的值計(jì)算出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;} else a= 0;

if(B>= 0) {b= 1;} else b= 0;

if(C>= 0) {c= 1;} else c= 0;

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

switch(N)

{

case 1: sector = 2; break;

case 2: sector = 6; break;

case 3: sector = 1; break;

case 4: sector = 4; break;

case 5: sector = 3; break;

case 6: sector = 5; break;

default: break;

}

為了減少逆變器電路中MOSFET的開關(guān)次數(shù)，可以使用7段空間矢量合成方式，在每個(gè)矢量扇區(qū)內(nèi)均以零矢量（000）開始和結(jié)束，中間用零矢量（111），其余時(shí)間用有效矢量。如下圖所示：

SVPWM電壓加在PMSM電機(jī)的三相端子上后，可以看到馬鞍形的相電壓波形，如下圖所示：

轉(zhuǎn)子角度觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)

找到轉(zhuǎn)子磁通的位置θ是FOC算法的關(guān)鍵，但在電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，Hall傳感器的精度不夠?qū)е聼o法精確找到轉(zhuǎn)子的磁通位置θ，此時(shí)需要用到轉(zhuǎn)子角度觀測(cè)器。轉(zhuǎn)子磁通的角度信息，可以從反電動(dòng)勢(shì)中獲取到，我們無法直接測(cè)量到電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，但是可以用觀測(cè)器的方法，計(jì)算出反電動(dòng)勢(shì)的值。

選觀測(cè)器電流與真實(shí)電流的誤差值為滑?？刂泼鍿,

如果滑模增益K足夠大的情況下，我們可以找到一個(gè)滑?？刂泼鍿，使得

滑模觀測(cè)器的系統(tǒng)框圖如下：

如果要確保滑?？刂泼鍿的穩(wěn)定，我們需要選取有效的K和l值，保證

并且l值必須大于-1。最后轉(zhuǎn)子的角度θ便可以通過反正切函數(shù)計(jì)算出來。

GD32F130系列MCU可以輕松實(shí)現(xiàn)上述的SVPWM產(chǎn)生器，Park/Clark變換，PI控制器，以及轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器。MCU內(nèi)置的高速高精度SAR ADC和多級(jí)中斷系統(tǒng)可以確保閉環(huán)控制的實(shí)時(shí)性。

GD32F130冰箱變頻板

正面圖片

反面圖片