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Fall einer Kooperation zwischen Slkor MOSFET und Zhaoyi Innovation MCU-Designschema (1)

Veröffentlichungszeit: 2022Quelle des Autors: SlkorDurchsuchen:2520

Einleitung: Zhaoyi Innovation ist ein riesiges Unternehmen für inländische Produkte der MCU-Serie. In ihrer Reihe von MCU-Designlösungen arbeiten sie umfassend mit SKLOR zusammen.

 

Verwendung der MCU der GD32F130-Serie zur Entwicklung des Kühlschrankkompressor-Wechselrichterplatinenschemas




Übersicht über das Kühlkompressor-Wechselrichterschema




Die in diesem Artikel vorgestellte Frequenzumwandlungsplatine kann zur Frequenzumwandlungssteuerung von Kühlschrankkompressoren und auch zur Frequenzumwandlungssteuerung von Dunstabzugshauben und Klimaanlagen verwendet werden. Das Schema basiert auf dem MCU-Design der GD32F130-Serie von GigaDevice. Die MCU ist mit einem Cortex-M3-Kern ausgestattet, der eine PI-Steuerung, einen SVPWM-Generator und einen Motorzustandsbeobachter per Software realisieren kann; Ein fortschrittlicher Timer kann direkt 6 Kanäle komplementärer, totzoneneinstellbarer PWM erzeugen. Der Chip erfüllt Betriebstemperaturen in Industriequalität und ESD, EMI-Standards und eignet sich sehr gut für PMSM, BLDC-Geschwindigkeitsregelung mit variabler Frequenz.




Hauptspezifikationen der MCU der Serie GD32F130




Cortex-M3@48 MHz, 50 MIPS Verarbeitungsleistung;




Flash: 64 KB/32 KB/16 KB;




SRAM: 8 KB/4 KB/4 KB;




Hochpräziser Hochgeschwindigkeits-ADC, 12-Bit-ADC x 1 bei 2.6 Msps, 10 Kanäle;




Erweiterter Timer x1, der 6 komplementäre PWM-Ausgänge mit einstellbarer Totzeit erzeugen kann. allgemeiner Timer x6;




Flash mit Hardware-Verschlüsselungsschutz;




Verschiedene serielle Kommunikationsmethoden: I2C x2, SPI x2, UART x2;




Umfangreiche Pakettypen: TSSOP20/ QFN28/ QFN32/ LQFP32/ LQFP48/LQFP64




Betriebstemperaturbereich in Industriequalität: -40℃~+85℃;




Industrieklasse ESD Eigenschaften: 6000 Volt;




Hauptspezifikationen und Parameter der Wechselrichterplatine




Nennausgangsleistung 200 W, 310 V Busspannung, maximaler Arbeitsstrom 2 A;




Magnetfeldorientierte Methode, Sinusstrom, sensorloser Start und Steuerung;




3 Widerstandsstromabtastung;




Die Wechselrichterschaltung besteht aus 6 Power MOSFETs;




Das Steuerblockdiagramm des Motorsteuerungssystems sieht wie folgt aus:



Implementierung von MTPA




Wie im Systemblockdiagramm dargestellt, handelt es sich bei dem gesamten System um eine doppelte Regelung mit geschlossenem Regelkreis, wobei der innere Regelkreis ein Stromregelkreis und der äußere Regelkreis ein Geschwindigkeitsregelkreis ist. Stellen Sie die Richtung des magnetischen Flusses des Rotors als d-Achse ein, die q-Achse ist die orthogonale Achse der d-Achse. Der Steuerzweck der Stromschleife besteht darin, den Statorstrom und den magnetischen Fluss zu entkoppeln und den Statorstrom entlang der q-Achse zu steuern.


Für den SPM-Motor setzen wir den Zielsteuerwert id der d-Achse auf 0 und steuern den gesamten Strom am Stator zur q-Achse, um das maximale Drehmoment pro Ampere (MTPA) zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt beziehen sich Drehmoment und Drehzahl des PMSM-Motors nur auf die Stromkomponente der q-Achse. Anschließend steuern wir den Strom auf der d-Achse über den Geschwindigkeitsregelkreis, um eine doppelte Regelung zu erreichen.



Da die Struktur des SPM-Motors in der tatsächlichen Arbeit nicht ideal ist, ist der tatsächliche Strom auf der d-Achse nicht 0; Gleichzeitig steuern wir gezielt den Strom auf der d-Achse, um zu erreichen, dass der Motor die Basisgeschwindigkeit überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt müssen wir der d-Achse einen Feldschwächungsregler hinzufügen, um die Realisierung von MTPA sicherzustellen. Das Vektordiagramm bei laufendem SPM-Motor sieht wie folgt aus:



Implementierung von FOC




In der tatsächlichen Verkabelung des PMSM-Motors gibt es dreiphasige Ströme a, b, c. Jetzt müssen wir die dreiphasigen Ströme a, b und c mit dem D-Achsen-Strom und dem Q-Achsen-Strom verbinden. Wir müssen die beiden mathematischen Transformationen von Clark und Park verwenden:




• Clark-Transformation: (a, b, c) → (α, β), α, β sind zweiphasige orthogonale stationäre Koordinatensysteme;


•Parktransformation: (α, β)→(D, Q), D, Q ist ein zweiphasiges orthogonales rotierendes Koordinatensystem, wobei θ die Position des Rotormagnetflusses ist;



Durch die beiden mathematischen Änderungen von Clark und Park können wir die dreiphasigen Ströme a, b und c des PMSM-Motors in die D-Achse und die Q-Achse zerlegen und so eine feldorientierte Steuerung (FOC) realisieren. Wir können auch feststellen, dass der Schlüsselpunkt der gesamten FOC-Steuerung darin besteht, die Magnetflussposition θ des Rotors zu ermitteln.




Implementierung von SVPWM




Wir können auch die inverse Park-Transformation verwenden, um den Statorstrom vom D-, Q-Raum in den α-, β-Raum umzuwandeln. Nach Abschluss der Ausrichtung des Magnetfelds besteht der letzte Schritt der PMSM-Motorsteuerung darin, eine PWM-Spannung zu erzeugen, die auf die dreiphasigen Anschlüsse des Motors wirkt. Entsprechend den 8 Schaltzuständen des Dreiphasenwechselrichters können wir die Zustandstabelle des Raumvektormodulationswechselrichters auflisten:



Wenn beispielsweise die drei Phasen A, B und C alle 0 und 1 sind, handelt es sich um einen ungültigen Zustand. Wir platzieren diese beiden Zustandsvektoren im Ursprung des Raums und die verbleibenden 6 Vektorzustände U0→U300 zeichnen einfach ein regelmäßiges Sechseck im Raum. Die herkömmliche 6-Stufen-Methode zur Steuerung des Motors besteht darin, diese 6 Spannungsvektoren nacheinander dem Statorende des Motors hinzuzufügen.



Der Zweck der Raumvektormodulation (SVPWM) besteht darin, einen um 360 Grad rotierenden Spannungsvektor mit gleicher Amplitude im Vektorraum zu bilden und so die vom Wechselrichter ausgegebenen harmonischen Stromkomponenten zu reduzieren und die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren. Die Implementierungsmethode von SVPWM besteht darin, zwei benachbarte Grundspannungsvektoren zu verwenden, um den rotierenden Spannungsvektor Uout im Vektorraum zu synthetisieren, und der Maximalwert von Uout beträgt etwa 0.886 * VDC. Am Beispiel des ersten Quadranten:



Dabei ist T1 die Aktionszeit des Spannungsvektors U0 in einem PWM-Zyklus, T2 die Aktionszeit des Spannungsvektors U60 in einem PWM-Zyklus und T0 die Aktionszeit der Nullsystemkomponente.


Wir verwenden zunächst die Werte von V_α und V_β, um den Sektorsektor zu bestimmen, und berechnen dann die Werte von T1, T2 und T0 gemäß der trigonometrischen Funktion und dem Wert von Vdc.


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;

Schalter(N)

{

Fall 1: Sektor = 2; brechen;

Fall 2: Sektor = 6; brechen;

Fall 3: Sektor = 1; brechen;

Fall 4: Sektor = 4; brechen;

Fall 5: Sektor = 3; brechen;

Fall 6: Sektor = 5; brechen;

Standard: Pause;

}


Um die Schaltzeiten zu verkürzen MOSFETs in der Wechselrichterschaltung kann ein 7-Segment-Raumvektorsyntheseverfahren verwendet werden, das mit einem Nullvektor (000) in jedem Vektorsektor beginnt und endet, mit einem Nullvektor (111) in der Mitte und den Rest der Zeit mit gültigem Vektor. Wie nachfolgend dargestellt:



Nachdem die SVPWM-Spannung an die dreiphasigen Anschlüsse des PMSM-Motors angelegt wurde, ist die sattelförmige Phasenspannungswellenform zu sehen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:



Implementierung des Rotorwinkelbeobachters




Das Ermitteln der Position θ des Rotormagnetflusses ist der Schlüssel zum FOC-Algorithmus. Bei der Hochgeschwindigkeitsrotation des Motors reicht die Genauigkeit des Hall-Sensors jedoch nicht aus, um die Position θ des Rotormagnetflusses genau zu ermitteln . In diesem Fall ist ein Rotorwinkelbeobachter erforderlich. Die Winkelinformationen des Rotormagnetflusses können aus der Gegen-EMK gewonnen werden. Wir können die Gegen-EMK des Motors nicht direkt messen, aber der Wert der Gegen-EMK kann mit der Beobachtermethode berechnet werden.



Als Gleitmodus-Kontrollfläche S wird der Fehlerwert zwischen Beobachterstrom und realem Strom gewählt,



Wenn die Sliding-Mode-Verstärkung K groß genug ist, können wir eine solche Sliding-Mode-Steuerfläche S finden



Das Systemblockdiagramm des Sliding-Mode-Beobachters sieht wie folgt aus:



Wenn wir die Stabilität der Gleitmodus-Steuerfläche S sicherstellen wollen, müssen wir effektive K- und l-Werte auswählen, um dies sicherzustellen



Und der l-Wert muss größer als -1 sein. Schließlich kann der Winkel θ des Rotors durch die Arkustangensfunktion berechnet werden.




Die MCU der Serie GD32F130 kann den oben genannten SVPWM-Generator, die Park/Clark-Transformation, den PI-Regler und den Rotorpositionsbeobachter problemlos implementieren. Der integrierte schnelle und hochpräzise SAR-ADC und das mehrstufige Interrupt-System der MCU können die Echtzeitleistung der Regelung im geschlossenen Regelkreis gewährleisten.




GD32F130 Kühlschrank-Wechselrichterplatine




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