支持制造业实现智能化转型 | 基于GD32F303的通用变频器方案设计
前 言
我国在2020年9月明确了2030年碳达峰和 2060年碳中和的目标，未来四十年内实现净零排放对中国而言将是一项具有挑战性的任务。对于电机行业来说，电机在工业领域占有重要位置，据统计，我国电机每年耗电量占全社会总用电量的69%，约占工业用电的75%。因此减少电机生命周期内的碳排放，加速推进减碳进程，是电机行业面临的重要任务。变频调速技术可以精确控制交流电机的转速，使电机在节能状态下运行，是对传统电机系统调速改造、提升电机系统运行效率的关键措施。传统变频器具有体积大、性能低、价格高的特点，除此之外还对环境有一定的要求，对于分散控制的场合，传统变频器难以适应工业应用的需求。
本文基于GD32 MCU的VF/矢量变频器的控制系统，采用模块化设计，控制面板，用户接口可按需求自由组合，便于安装、编程和初始化设计，轻松实现异步电动机的调速要求。同时采用总线技术，可方便与控制系统、集散系统连接，实现计算机驱动系统控制和工厂车间集中控制。因此该变频器在汽车、食品、物料输送、工业控制等智能制造领域有广阔的应用空间。
系统框图
方案特点
方案核心采用GD32F303RCT6控制，使系统具有结构简单、实现方便、成本低、可靠性高等特点。在优化了硬件结构的同时不降低系统的性能，硬件系统模块清晰直观，方便安装使用以及程序的初始化。调制方式采用SVPWM控制技术能有效减少逆变器输出电压谐波成分，电压利用率高，控制精度高。
GD32F303简介
- Cortex®-M4内核@ 120MHz
- 支持软硬件DSP指令
- 闪存访问为零等待状态
- 内置256 KB至3072 KB闪存
- 内置48KB至96KB SRAM
- EXMC接口支持外部SDRAM
- 高达5个UART (9Mbit/s)
- 高达3个SPI (30Mbit/s)
- 高达2个I2C (400Kbit/s)
- 高达2个CAN2.0B
- 高达2个I2S
- 支持SDIO、以太网MAC
- 支持USB OTG FS
- 高达3个12位，2.6M SPS ADC(高达24通道)
- 高达2个DAC
- 待机电流为2uA
核心控制原理及实现
空间矢量脉宽调制控制具有线性范围宽、高次谐波少、易于数字化等优点，所以在感应电机中应用广泛。在传统的三相桥式驱动电路中，MOS管有8种开关组合，即000、001、010、011、100、101、110、111。其中000、111为零矢量。6个非零基本电压空间矢量将αβ 平面分成6个扇区，如图所示。为了得到一个圆形的旋转磁场，可以通过控制8个基本的空间电压矢量的作用时间，合成各个基本空间电压矢量的作用时间和输出顺序。
GD32的TIMER0模块是增强型的定时器模块，天生就是为电机控制而生，可以产生3组6路PWM，同时每组2路PWM为互补，并可以带有死区，可以用来驱动H桥。文中利用TIM0模块的三通道产生一共6路PWM输出。具体步骤如下：
- 开TIM0时钟，配置相应的IO口为复用输出。
- 设置TIM0的ARR和PSC，在开启了TIM0的时钟之后，要设置ARR和PSC两个寄存器的值来控制输出PWM的周期。
- 设置TIM0_CH0、TIM0_CH1、TIM0_CH2的PWM模式。
- 使能TIM0的CH0~CH2输出，使能TIM0。
- 修改TIM0_CCR1~TIM0_CCR2来控制占空比。
- 通过以上配置，配合GD32F303的运算能力，对占空比进行实时调节，达到矢量控制的效果。
整机性能参数
| 输入 输出 特性 |
额定输入电压 | 200V电压等级：单/三相 220VAC |
| 400V电压等级：三相380VAC电压，持续波动士10%。 短暂波动-15%~+10% |
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| 额定输入频率 | 50Hz / 60Hz ±5% | |
| 输出电压 | 3相：0~额定输入电压，误差小于±3% | |
| 输出频率 | 0.00~600.00Hz， 单位 0.01Hz | |
| 过载能力 | 150% 1分钟；180% 10秒；200% 0.5秒 | |
| 运行 控制 特性 |
控制方式 | V/f控制 |
| 无PG矢量控制(SVC) | ||
| 调速范围 | 1:100（V/f） | |
| 1:200（SVC) | ||
| 速度控制精度 | ±0.5% (V/f控制) | |
| ±0.2% (SVC) | ||
| 速度波动 | ±0.3% （SVC） | |
| 转矩响应 | <10ms（SVC） | |
| 起动转矩 | 0.5Hz：180%（V/f, SVC） | |
| 0.25Hz：180%（SVC） | ||
| 基本 功能 |
V/F曲线 | 三种方式：直线型；多点型； N次方型V/F曲线 |
| V/F分离 | 2种方式：全分离、半分离 | |
| 加减速曲线 | 直线或S曲线加减速方式； 四种加减速时间； 加减速时间范围0.0~60000s |
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| 直流制动 | 直流制动频率：0. 00Hz~最大频率，制动时间：0.0s 30.0s， 制动动作电流值：0.0%~100.0% |
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| 点动控制 | 点动频率范围：0. 00Hz~50. 00Hz； 点动加减速时间：0.0s”~60000s |
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| 简易PLC、多段速运行 | 通过内置PLC或控制端子实现最多16段速运行 | |
| 内置PID | 可方便实现过程控制闭环控制系统 | |
| 自动电压调整 （AVR） |
当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定 | |
| 过压过流失速控制 | 对运行期间电流电压自动限制，防止频繁过流过压跳闸 | |
| 快速限流功能 | 最大限度减小过流故障，保护产品正常运行 | |
| 转矩限定与控制 | 对运行期间转矩自动限制，防止频繁过流跳闸 | |
| 输入端子 | 六个开关量输入端子，其中X6可作高速脉冲输入。 支持有源开路集电极NPN、PNP及干接点输入方式，两个模拟量输入端子， 一个为电压电流输入可选，一个为电压输入 |
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| 输出端子 | 一个高速脉冲输出端子，0~50kHz的方波信号输出，可实现设定频率、 输出频率等物理量的输出，一个开关量输出端子，一组继电器输出端子 |
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| 一个模拟量输出端子，电压电流输出可选， 可实现设定频率、输出频率等物理量的输出 |
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| 特色 功能 |
各种主辅给定和切换、速度搜索、多种加减速曲线选择、抱闸控制、 最多可支持16段速运行（两段速支持灵活的频率给定方式）、摆频控制运行、定长控制、 计数功能、过励磁制动、过压失速、欠压失速、停电再起动、跳跃频率、频率绑定、 四段加减速时间自由切换、电机温度保护、灵活的风扇控制、过程PID控制、简易PLC、 下垂控制、参数辨识、弱磁控制、高精度的转矩限定、V/f分离控制 |
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| 保护 功能 |
上电电机短路检测、 过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、 过载保护等 | |
| 环境 | 使用场所 | 室内，不受阳光直射，无尘埃、腐蚀性气体、可燃性气体、油雾、水蒸气、滴水或盐分等 |
| 海拔高度 | 海拔1000米以上降额使用，每升高100米，额定输出电流将降额1% | |
| 环境温度 | -10℃~40℃，40℃~50℃之间降额使用，升高1℃，额定输出电流减少1% | |
| 湿度 | 5~95%， 不允许凝露 | |
| 振动 | 小于5.9 m/s2（0. 6g） | |
| 存贮温度 | -20°C~+60°C | |
| 其它 | 安装方式 | 壁挂式 |
| 防护等级 | IP20 | |
| 冷却方式 | 强迫风冷 | |
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