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)風機的變頻控制。方案基于兆易創(chuàng)新GigaDevice的GD32F130系列MCU設計，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，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電機的結構并不是理想情況，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。

　　選觀測器電流與真實電流的誤差值為滑模控制面S，

　　如果滑模增益K足夠大的情況下，我們可以找到一個滑模控制面S，使得

　　滑模觀測器的系統(tǒng)框圖如下：

　　如果要確保滑模控制面S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)計算出來。

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

　　GD32F130冰箱變頻板

　　正面圖片

　　反面圖片