基于ARM芯片的電能質量治理模塊散熱系統設計

張恩壽 萬春紅 姚鵬 羅紹波

摘要：常規的電能質量治理模塊散熱系統一般均是采用主控制器控制，或通過壓頻轉換電路驅動實現散熱風機轉速調節。主控制器主要作用是通過加載相關的諧波、無功等檢測算法，利用逆變算法控制功率開關管的導通，實現諧波抑制和無功補償。采用主控制器控制散熱系統勢必增加主控制器的負擔，而采用壓頻轉換電路驅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芯片的散熱系統設計，能減少主控制器的負擔，保證模塊的正常運行。

關鍵詞：壓頻轉換;電能質量;諧波;無功補償;ARM芯片

0? ? 引言

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

本文針對傳統的電能質量治理模塊提出了基于ARM芯片的新型散熱系統設計，結合PID控制技術，實現了模塊溫度的控制，能減少主控制器的控制運算負擔并節省電能。

1? ? 壓頻轉換電路

一般功率開關管模塊均帶有一個負溫度系數的熱敏電阻，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模塊的最大允許結溫為175 ℃。

散熱系統設計基于IGBT模塊熱敏電阻的溫度曲線對電能質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分壓，將該電壓進行電壓—頻率轉換，輸出脈沖頻率隨溫度變化的方波。壓頻轉換電路原理如圖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。

此電路實現了當電能質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，散熱風機轉速加快，使整個電能質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動時，所有風機的運行狀態均一樣，不可分開控制。

2? ? 基于ARM芯片的散熱系統設計

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

RCT6作為控制芯片，利用該芯片的高級定時器生成PWM波形，輸出至散熱風機驅動電路，通過IGBT熱敏電阻的溫度反饋，并結合PID控制算法，調節定時器的PWM波形的占空比，將電能質量治理模塊溫度控制在合理的運行范圍內。系統結構如圖4所示。

2.1? ? 控制芯片的特點

GD32F303RCT6最高運行頻率120 MHz，支持數字信號處理指令和浮點運算指令，單周期乘加運算，256K字節flash存儲，48K字節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，經二極管鉗位在0～3.3 V后，輸入至GD32F303RCT6的PA3管腳，經ADC轉換后對電壓與溫度關系進行標定。GD32F303RCT6的ADC精度可配置為12位、10位、8位和6位，支持DMA傳輸和多種轉換模式，支持過采樣和自校準。程序設計時，需先設置ADC時鐘，GD32F303RCT6的ADC最大支持40 MHz時鐘，可以設置為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，并設置GPIO工作模式和ADC通道的工作模式，開啟ADC轉換。對ADC采樣數值與模塊溫度進行標定，實現溫度數據獲取。

2.3? ? PWM波形控制

經ADC采樣和標定后的數據，通過預設一個合理的溫升范圍，將ADC采樣轉化的數據作為PID控制環的反饋，采樣轉化值與預設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，實現電能質量治理模塊的溫度穩定在一個合理的范圍內。控制流程如圖5所示。

程序設計包含兩個部分：PID控制程序的初始化和高級定時器的PWM初始化。PID設置流程：結合ADC采樣數據定義并初始化arm_pid_instance_f32結構體參數，調用ARM提供的PID初始化函數，將PID處理函數arm_pid_f32的值賦于PWM脈沖的占空比參數。高級定時器的PWM設置流程：使能GPIO時鐘和高級定時器時鐘，設置定時器的分頻系數和計數周期值等參數，初始化高級定時器;設置PWM的極性、空閑狀態及工作模式等參數，初始化PWM結構體，將PID處理函數結果作為PWM占空比的輸入。

隨著溫度的變化，適當調節PWM占空比，實現散熱風機轉速的相應變化。當溫度恒定在預設的溫升范圍內，可以停止PWM輸出或減小占空比，散熱風機停止工作，實現節能。預設溫度為110 ℃時，ADC采樣數據、標定溫度、PWM占空比和風機轉速結果如表1所示。

3? ? 結語

基于ARM芯片設計的電能質量治理模塊散熱系統能減輕主控制器負擔，節約電能和穩定模塊內的溫度，其克服了常規的電能質量治理模塊散熱系統溫度跟蹤慢且持續運行的特點，當溫度處在預設范圍內時，可降低散熱風機運行的轉速甚至停止其運行。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置，可實現多個風機運行在各不相同的轉速下，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：電能質量綜合治理。