基于ARM芯片的電能質(zhì)量治理模塊散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張恩壽 萬(wàn)春紅 姚鵬 羅紹波

摘要：常規(guī)的電能質(zhì)量治理模塊散熱系統(tǒng)一般均是采用主控制器控制，或通過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。主控制器主要作用是通過(guò)加載相關(guān)的諧波、無(wú)功等檢測(cè)算法，利用逆變算法控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償。采用主控制器控制散熱系統(tǒng)勢(shì)必增加主控制器的負(fù)擔(dān)，而采用壓頻轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)則頻率輸出很難跟蹤模塊溫度變化。鑒于此，提出了基于ARM芯片的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能減少主控制器的負(fù)擔(dān)，保證模塊的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：壓頻轉(zhuǎn)換;電能質(zhì)量;諧波;無(wú)功補(bǔ)償;ARM芯片

0? ? 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用戶(hù)的負(fù)荷發(fā)生了很大變化，很多非線(xiàn)性負(fù)荷也加到了用戶(hù)終端上，節(jié)能燈、計(jì)算機(jī)、工業(yè)變頻設(shè)備和整流設(shè)備等均會(huì)產(chǎn)生諧波，增加了無(wú)功功率的需求。諧波從終端設(shè)備向電網(wǎng)側(cè)反饋，污染電網(wǎng);無(wú)功功率需求增加，導(dǎo)致供電電壓下降，影響設(shè)備的運(yùn)行。在用戶(hù)終端負(fù)荷側(cè)加裝電能質(zhì)量治理設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償和平衡三相功率。有源電能質(zhì)量治理設(shè)備主要通過(guò)檢測(cè)電路中的諧波電流、無(wú)功電流和相關(guān)的不平衡參數(shù)，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通、逆變出需要的波形，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量治理。電能質(zhì)量治理模塊中包含了關(guān)鍵的功率開(kāi)關(guān)管和電容等電力電子器件，溫度對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的影響較為突出，溫度過(guò)高功率開(kāi)關(guān)管性能下降，電容的壽命也下降。

本文針對(duì)傳統(tǒng)的電能質(zhì)量治理模塊提出了基于ARM芯片的新型散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合PID控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模塊溫度的控制，能減少主控制器的控制運(yùn)算負(fù)擔(dān)并節(jié)省電能。

1? ? 壓頻轉(zhuǎn)換電路

一般功率開(kāi)關(guān)管模塊均帶有一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，如嘉興斯達(dá)的GD50FFL120C5S IGBT模塊包含了一個(gè)NTC熱敏電阻，其B-value的值為3 375 K，25 ℃時(shí)阻值為5 kΩ，該IGBT模塊的最大允許結(jié)溫為175 ℃。

散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于IGBT模塊熱敏電阻的溫度曲線(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量治理模塊的溫度進(jìn)行采集，利用該熱敏電阻與一個(gè)低溫漂、高精度的電阻進(jìn)行串聯(lián)分壓，將該電壓進(jìn)行電壓—頻率轉(zhuǎn)換，輸出脈沖頻率隨溫度變化的方波。壓頻轉(zhuǎn)換電路原理如圖3所示。

圖中，R1為IGBT模塊的NTC熱敏電阻，R2為低溫漂、高精度電阻。

此電路實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電能質(zhì)量治理模塊的溫度上升時(shí)，NTC熱敏電阻阻值下降，分壓輸入上升，輸出脈沖頻率升高，散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快，使整個(gè)電能質(zhì)量治理模塊溫度下降。但采用此電路存在一個(gè)弊端：NTC熱敏電阻阻值隨溫度的變化為一有限值，即電能質(zhì)量治理模塊中，任何溫度下風(fēng)機(jī)都在運(yùn)行，這樣勢(shì)必浪費(fèi)電能，并且模塊中需要多路驅(qū)動(dòng)時(shí)，所有風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)均一樣，不可分開(kāi)控制。

2? ? 基于ARM芯片的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ARM芯片具有低功耗的特點(diǎn)，本文基于ARM芯片的CORETEXT-M4系列進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用兆易創(chuàng)新的GD32F303-

RCT6作為控制芯片，利用該芯片的高級(jí)定時(shí)器生成PWM波形，輸出至散熱風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)IGBT熱敏電阻的溫度反饋，并結(jié)合PID控制算法，調(diào)節(jié)定時(shí)器的PWM波形的占空比，將電能質(zhì)量治理模塊溫度控制在合理的運(yùn)行范圍內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1? ? 控制芯片的特點(diǎn)

GD32F303RCT6最高運(yùn)行頻率120 MHz，支持?jǐn)?shù)字信號(hào)處理指令和浮點(diǎn)運(yùn)算指令，單周期乘加運(yùn)算，256K字節(jié)flash存儲(chǔ)，48K字節(jié)SRAM;具有兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器，支持正交編碼器接口和霍爾傳感器接口，可編程死區(qū)時(shí)間，帶剎車(chē)功能，適合電機(jī)控制;此外，支持16路ADC輸入和2路DAC輸出。

2.2? ? 溫度采樣

利用NTC熱敏電阻與低溫漂、高精度電阻分壓，經(jīng)二極管鉗位在0～3.3 V后，輸入至GD32F303RCT6的PA3管腳，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后對(duì)電壓與溫度關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。GD32F303RCT6的ADC精度可配置為12位、10位、8位和6位，支持DMA傳輸和多種轉(zhuǎn)換模式，支持過(guò)采樣和自校準(zhǔn)。程序設(shè)計(jì)時(shí)，需先設(shè)置ADC時(shí)鐘，GD32F303RCT6的ADC最大支持40 MHz時(shí)鐘，可以設(shè)置為APB2總線(xiàn)時(shí)鐘的2、4、6、8、12、16分頻或AHB總線(xiàn)時(shí)鐘的5、6、10、20分頻。使能GPIO時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘，并設(shè)置GPIO工作模式和ADC通道的工作模式，開(kāi)啟ADC轉(zhuǎn)換。對(duì)ADC采樣數(shù)值與模塊溫度進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)獲取。

2.3? ? PWM波形控制

經(jīng)ADC采樣和標(biāo)定后的數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)設(shè)一個(gè)合理的溫升范圍，將ADC采樣轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)作為PID控制環(huán)的反饋，采樣轉(zhuǎn)化值與預(yù)設(shè)溫升的標(biāo)定值之差作為PID輸入，GD32F303RCT6定時(shí)器輸出PWM脈沖的占空比作為PID控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量治理模塊的溫度穩(wěn)定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

程序設(shè)計(jì)包含兩個(gè)部分：PID控制程序的初始化和高級(jí)定時(shí)器的PWM初始化。PID設(shè)置流程：結(jié)合ADC采樣數(shù)據(jù)定義并初始化arm_pid_instance_f32結(jié)構(gòu)體參數(shù)，調(diào)用ARM提供的PID初始化函數(shù)，將PID處理函數(shù)arm_pid_f32的值賦于PWM脈沖的占空比參數(shù)。高級(jí)定時(shí)器的PWM設(shè)置流程：使能GPIO時(shí)鐘和高級(jí)定時(shí)器時(shí)鐘，設(shè)置定時(shí)器的分頻系數(shù)和計(jì)數(shù)周期值等參數(shù)，初始化高級(jí)定時(shí)器;設(shè)置PWM的極性、空閑狀態(tài)及工作模式等參數(shù)，初始化PWM結(jié)構(gòu)體，將PID處理函數(shù)結(jié)果作為PWM占空比的輸入。

隨著溫度的變化，適當(dāng)調(diào)節(jié)PWM占空比，實(shí)現(xiàn)散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化。當(dāng)溫度恒定在預(yù)設(shè)的溫升范圍內(nèi)，可以停止PWM輸出或減小占空比，散熱風(fēng)機(jī)停止工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。預(yù)設(shè)溫度為110 ℃時(shí)，ADC采樣數(shù)據(jù)、標(biāo)定溫度、PWM占空比和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)果如表1所示。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

基于ARM芯片設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量治理模塊散熱系統(tǒng)能減輕主控制器負(fù)擔(dān)，節(jié)約電能和穩(wěn)定模塊內(nèi)的溫度，其克服了常規(guī)的電能質(zhì)量治理模塊散熱系統(tǒng)溫度跟蹤慢且持續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn)，當(dāng)溫度處在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，可降低散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速甚至停止其運(yùn)行。GD32F303RCT6的兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器共8個(gè)通道、16路輸出PWM，并且每一通道的占空比均可獨(dú)立設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在各不相同的轉(zhuǎn)速下，相互獨(dú)立、互不干擾，提高了控制靈活性。

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收稿日期：2019-11-21

作者簡(jiǎn)介：張恩壽（1992—），男，云南保山人，助理工程師，研究方向：電能質(zhì)量綜合治理。