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

張恩壽 萬春紅 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，或通過壓頻轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動實現(xiàn)散熱風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。主控制器主要作用是通過加載相關(guān)的諧波、無功等檢測算法，利用逆變算法控制功率開關(guān)管的導通，實現(xiàn)諧波抑制和無功補償。采用主控制器控制散熱系統(tǒng)勢必增加主控制器的負擔，而采用壓頻轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動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，能減少主控制器的負擔，保證模塊的正常運行。

關(guān)鍵詞：壓頻轉(zhuǎn)換;電能質(zhì)量;諧波;無功補償;ARM芯片

0? ? 引言

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

本文針對傳統(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，結(jié)合PID控制技術(shù)，實現(xiàn)了模塊溫度的控制，能減少主控制器的控制運算負擔并節(jié)省電能。

1? ? 壓頻轉(zhuǎn)換電路

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

散熱系統(tǒng)設(shè)計基于IGBT模塊熱敏電阻的溫度曲線對電能質(zhì)量治理模塊的溫度進行采集，利用該熱敏電阻與一個低溫漂、高精度的電阻進行串聯(lián)分壓，將該電壓進行電壓—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。

此電路實現(xiàn)了當電能質(zhì)量治理模塊的溫度上升時，NTC熱敏電阻阻值下降，分壓輸入上升，輸出脈沖頻率升高，散熱風機轉(zhuǎn)速加快，使整個電能質(zhì)量治理模塊溫度下降。但采用此電路存在一個弊端：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，任何溫度下風機都在運行，這樣勢必浪費電能，并且模塊中需要多路驅(qū)動時，所有風機的運行狀態(tài)均一樣，不可分開控制。

2? ? 基于ARM芯片的散熱系統(tǒng)設(shè)計

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

RCT6作為控制芯片，利用該芯片的高級定時器生成PWM波形，輸出至散熱風機驅(qū)動電路，通過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

GD32F303RCT6最高運行頻率120 MHz，支持數(shù)字信號處理指令和浮點運算指令，單周期乘加運算，256K字節(jié)flash存儲，48K字節(jié)SRAM;具有兩個高級定時器，支持正交編碼器接口和霍爾傳感器接口，可編程死區(qū)時間，帶剎車功能，適合電機控制;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)換后對電壓與溫度關(guān)系進行標定。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，支持過采樣和自校準。程序設(shè)計時，需先設(shè)置ADC時鐘，GD32F303RCT6的ADC最大支持40 MHz時鐘，可以設(shè)置為APB2總線時鐘的2、4、6、8、12、16分頻或AHB總線時鐘的5、6、10、20分頻。使能GPIO時鐘和ADC時鐘，并設(shè)置GPIO工作模式和ADC通道的工作模式，開啟ADC轉(zhuǎn)換。對ADC采樣數(shù)值與模塊溫度進行標定，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)獲取。

2.3? ? PWM波形控制

經(jīng)ADC采樣和標定后的數(shù)據(jù)，通過預設(shè)一個合理的溫升范圍，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)化值與預設(shè)溫升的標定值之差作為PID輸入，GD32F303RCT6定時器輸出PWM脈沖的占空比作為PID控制對象，實現(xiàn)電能質(zhì)量治理模塊的溫度穩(wěn)定在一個合理的范圍內(nèi)?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

程序設(shè)計包含兩個部分：PID控制程序的初始化和高級定時器的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)。高級定時器的PWM設(shè)置流程：使能GPIO時鐘和高級定時器時鐘，設(shè)置定時器的分頻系數(shù)和計數(shù)周期值等參數(shù)，初始化高級定時器;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，適當調(diào)節(jié)PWM占空比，實現(xiàn)散熱風機轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化。當溫度恒定在預設(shè)的溫升范圍內(nèi)，可以停止PWM輸出或減小占空比，散熱風機停止工作，實現(xiàn)節(jié)能。預設(shè)溫度為110 ℃時，ADC采樣數(shù)據(jù)、標定溫度、PWM占空比和風機轉(zhuǎn)速結(jié)果如表1所示。

3? ? 結(jié)語

基于ARM芯片設(shè)計的電能質(zhì)量治理模塊散熱系統(tǒng)能減輕主控制器負擔，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)運行的特點，當溫度處在預設(shè)范圍內(nèi)時，可降低散熱風機運行的轉(zhuǎn)速甚至停止其運行。GD32F303RCT6的兩個高級定時器共8個通道、16路輸出PWM，并且每一通道的占空比均可獨立設(shè)置，可實現(xiàn)多個風機運行在各不相同的轉(zhuǎn)速下，相互獨立、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。