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冰箱壓縮機變頻方案概述

本文介紹的變頻板可用于冰箱壓縮機變頻控制，同時也可用于油煙機，空調(diào)內(nèi)風(fēng)機的變頻控制。方案基于兆易創(chuàng)新GigaDevice的GD32F130系列MCU設(shè)計，MCU配備Cortex-M3內(nèi)核，可軟件實現(xiàn)PI控制，SVPWM生成器，電機狀態(tài)觀測器;一個高級定時器可直接產(chǎn)生6路互補死區(qū)可調(diào)PWM, 芯片滿足工業(yè)級的工作溫度和ESD, EMI標準，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 x 1@2.6Msps，10通道;

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

Flash帶硬件加密保護;

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)級的工作溫度范圍：-40℃~+85℃;

工業(yè)級的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;

磁場定向法，正弦波電流，無傳感器啟動及控制;

3電阻電流采樣;

逆變電路由6個Power MOSFET搭建成;

電機控制系統(tǒng)控制框圖如下：

MTPA的實現(xiàn)

如系統(tǒng)框圖所示，整個系統(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)子磁通方向為d-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。

針對于SPM電機，我們將d-axis的目標控制量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，PMSM電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速只與q-axis的電流分量有關(guān)，我們再通過速度控制環(huán)路來控制d-axis上的電流，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制。

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

FOC的實現(xiàn)

PMSM電機實際接線時有a，b，c三相電流，我們現(xiàn)在需要把a，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系;

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

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

SVPWM的實現(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，完成了磁場定向后，PMSM電機控制的最后一步就是要產(chǎn)生作用在電機三相端子上的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時為無效狀態(tài)，我們將這兩個狀態(tài)矢量放置在空間的原點，其余6個矢量狀態(tài)U0→U300剛好在空間繪成一個正6邊形。傳統(tǒng)的6步法控制電機就是將這6個電壓向量依次加在電機的定子端。

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。SVPWM的實現(xiàn)方法，則是利用相鄰的兩個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PWM周期內(nèi)的作用時間，T2為電壓矢量U60在一個PWM周期內(nèi)的作用時間，T0為零序分量的作用時間。

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)，其余時間用有效矢量。如下圖所示：

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

轉(zhuǎn)子角度觀測器的實現(xiàn)

找到轉(zhuǎn)子磁通的位置θ是FOC算法的關(guān)鍵，但在電機高速轉(zhuǎn)動的過程中，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，此時需要用到轉(zhuǎn)子角度觀測器。轉(zhuǎn)子磁通的角度信息，可以從反電動勢中獲取到，我們無法直接測量到電機的反電動勢，但是可以用觀測器的方法，計算出反電動勢的值。