基于國產(chǎn)ARM核MCU的液冷智能控制系統(tǒng)

摘要：該智能液冷控制系統(tǒng)軟硬件采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定、成本較低、控制靈活、實用性強，可廣泛應(yīng)用于大功率元器件的散熱。

1   引言

液冷系統(tǒng)的控制是一個非常典型的機電一體控制系統(tǒng)。它不僅需要水泵、風(fēng)機作為執(zhí)行元件，更需要MCU的控制單元。隨著電子技術(shù)以及無刷電機控制理論發(fā)展的成熟，無位置無刷直流電機的應(yīng)用得到普及，它具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)惡劣環(huán)境、維護方便、便于智能控制等系列優(yōu)點，在水泵領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。液冷智能系統(tǒng)控制采用國產(chǎn)32位ARM核MCU，以GD32F450為核心讀取液冷溫度，根據(jù)溫度的變化為依據(jù)，水泵流量、風(fēng)機轉(zhuǎn)速，通過串口傳送液冷數(shù)據(jù)，如水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、液冷溫度、液冷液位高度等，實現(xiàn)液冷智能自動控制，如圖1 所示。

圖1 液冷系統(tǒng)控制框圖

2   無位置傳感器無刷直流電機水泵的驅(qū)動策略

本設(shè)計的水泵使用無位置無刷水泵，驅(qū)動控制采用8 位的STC系列國產(chǎn)單片機為核心，利用反電勢法設(shè)計了一種無位置傳感器無刷水泵驅(qū)動控制器。利用MOSFET 作為開關(guān)器件，給出了全橋式逆變電路和位置檢測電路的原理圖。

2.1 采用反電勢法無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動策略

無位置傳感器無刷直流電機是如何驅(qū)動與控制的呢？通常，無刷電機都要使用位置傳感器來檢測無刷電機轉(zhuǎn)子的位置來進行驅(qū)動和控制，但位置傳感器有一些缺點，比如：增加成本、增加無刷電機體積、易出故障、易遭受干擾、不能適應(yīng)惡劣環(huán)境等。因此，反電勢法孕育而生，其優(yōu)點是：降低無刷電機成本、減少無刷電機體積、減少故障、適應(yīng)惡劣環(huán)境、可靠性提高等。反電勢法的工作原理是通過檢測無刷電機的不導(dǎo)通繞組的反電動勢來找到反電動勢的過零點，再延遲30° 電角度進行換相。如圖2 所示，A 相繞組的反電勢在一個電周期內(nèi)的波形，其中橫軸代表當(dāng)前運行時刻的電角度，縱軸代表A 相繞組產(chǎn)生的反電勢Ea。從圖中可以看出，當(dāng)檢測到反電勢信號過零點Z4 后，再延遲30° 電角度即是換相點^[1]。對于三相繞組電機，每隔60° 電角度就會產(chǎn)生一個反電勢過零點，過零點信號被STC15W408AS微控制器檢測并處理。

圖2 反電動勢過零點延時30°換相原理圖

2.2 無位置傳感器無刷直流電機水泵的驅(qū)動電路設(shè)計

在本電路的驅(qū)動電路設(shè)計中，電路上橋臂采用MOSFET P管，下橋臂使用MOSFET N管，與電機繞組連接電路簡單。此電路的設(shè)計采用了MOSFET P管和MOSFET N管，簡化了電路，節(jié)省了電壓泵即自舉電路，降低了成本，縮小了空間，提高了可靠性^[4]，如圖3。

圖3 無刷電機驅(qū)動電路

2.3 無位置傳感器無刷直流電機水泵的單片機控制電路設(shè)計

在電路的設(shè)計中采用8位的STC15W408AS 系列國產(chǎn)單片機為核心，檢測反電勢過零信號判斷轉(zhuǎn)子位置，對無刷電機驅(qū)動電路進行有效地控制，電路原理圖如圖4。

反電動勢信號經(jīng)過由比較器LM339組成的檢測電路，檢測出反電動勢過零信號給單片機STC15W408AS， 提供無刷直流電機水泵的轉(zhuǎn)子位置信號，從而實現(xiàn)控制無位置傳感器無刷直流電機水泵的驅(qū)動電路進行正確地換相，驅(qū)動無位置傳感器無刷直流電機水泵正常運轉(zhuǎn)。

2.4 無位置傳感器無刷直流電機水泵的單片機控制程序的設(shè)計

水泵的系統(tǒng)主程序流程如圖5 所示。水泵在停止的時候，無刷電機的轉(zhuǎn)子處于位置不確定的停止?fàn)顟B(tài)，此時檢測不到反電勢信號，因此需要先確定轉(zhuǎn)子的位置，讓轉(zhuǎn)子先轉(zhuǎn)起來；采用開環(huán)強制換相并加速直到可以檢測到反電動勢的時候再讀取反電動勢信號，采用擇多函數(shù)處理，防止干擾信號^[6]。在讀取到反電動勢過零點后計算換相延時30°電角度，利用定時器延時，延時到30°電角度后換相進入新的循環(huán)過程。在正常運行的同時接收ARM核MCU的調(diào)速控制信息。

圖5 控制框圖

3   液冷的系統(tǒng)控制

液冷系統(tǒng)在運行的過程中由國產(chǎn)32 位ARM 核MCU GD32F450為核心讀取液冷溫度，根據(jù)溫度的變化調(diào)節(jié)水泵流量、風(fēng)機轉(zhuǎn)速，通過串口傳送液冷數(shù)據(jù)，如水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、液冷溫度、液冷液位高度等，實現(xiàn)液冷智能自動控制。

軟件設(shè)計主控制程序流程圖如圖6 所示，首先進行初始化程序，初始化程序設(shè)計主要是完成GD32F450的GPIO配置、定時器配置、串口設(shè)置、PWM設(shè)置、QT18B20溫度讀取設(shè)置、中斷服務(wù)配置等。系統(tǒng)的重要功能是通過GD32F450讀取溫度、設(shè)置風(fēng)機PWM、設(shè)置水泵轉(zhuǎn)速，上報系統(tǒng)溫度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、液位等信息，實現(xiàn)系統(tǒng)智能的控制。

圖6 液冷系統(tǒng)控制框圖

4   實驗結(jié)果與分析

在圖7 中顯示了8 個加熱模塊的溫度，每個模塊450 W的熱耗功率，一共為3 650 W的熱耗功率，8 個發(fā)熱模塊均勻分布在41 mm×340mm的冷板上。在環(huán)境溫度為17 ℃的情況下，開啟液冷系統(tǒng)，熱耗功率3 650W，通過液冷系統(tǒng)的冷板吸收熱量，再通過換熱器釋放熱量。冷板里的乙二醇溶液由水泵打入，再流到換熱器里經(jīng)過換熱器由風(fēng)機把熱量釋放出來。測試結(jié)果表明，發(fā)熱功率在3 650W、環(huán)境溫度17℃ 的情況下，熱平衡時的溫升是28℃。結(jié)果表明液冷智能控制系統(tǒng)滿足了液冷的散熱要求，表1中為測試結(jié)果。

(a)初始溫度

(b)熱平衡下的溫度

圖7 液冷系統(tǒng)溫升情況

結(jié)論：本實驗中熱耗功率加至3 650 W 時，最高溫升至28 ℃ 左右，從實驗結(jié)果來看，能夠滿足（具體發(fā)熱量3 650 W）3 kw 功放單元滿功率負荷30 分鐘以上情況，功放模塊的溫升控制在35 ℃ 以下”。

5   結(jié)語

本文的無位置傳感器無刷直流電機水泵以8位的STC15W408AS 系列國產(chǎn)單片機為核心，實現(xiàn)了無位置傳感器無刷直流電機控制，采用擇多函數(shù)濾波實現(xiàn)反電動勢過零點檢測方式，能快速準(zhǔn)確地檢測轉(zhuǎn)子位置信息，具有良好的性能。而液冷智能系統(tǒng)控制部分采用國產(chǎn)32 位ARM核MCU，以GD32F450 為控制核心，讀取溫度信息，對水泵、風(fēng)機進行智能調(diào)控，實現(xiàn)了合理的智能控制。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2022年10月期）