基于國(guó)產(chǎn)ARM核MCU的液冷智能控制系統(tǒng)

徐俊 張偉濤 吳林

摘?要：電子電路應(yīng)用中，用風(fēng)冷散熱已經(jīng)無(wú)法滿足快速降溫的要求，解決大功率元器件的降溫問(wèn)題已非常重要。因此，利用液冷作為散熱平臺(tái)對(duì)大功率元器件進(jìn)行散熱的控制系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用。本文采用8位的STC15W408AS系列國(guó)產(chǎn)單片機(jī)微控制器做為控制芯片，以反電勢(shì)法驅(qū)動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷水泵[1]，以國(guó)產(chǎn)32位ARM核MCU，GD32F450為核心，實(shí)現(xiàn)液冷系統(tǒng)中對(duì)水泵控制、風(fēng)機(jī)控制、溫度采集、液位監(jiān)控、信息傳遞等液冷散熱平臺(tái)的智能控制。該智能液冷控制系統(tǒng)軟硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、成本較低、控制靈活、實(shí)用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于大功率元器件的散熱。

關(guān)鍵詞：無(wú)位置傳感器無(wú)刷水泵;反電勢(shì)法;液冷系統(tǒng)智能控制;GD32F450

1 引言

液冷系統(tǒng)的控制是一個(gè)非常典型的機(jī)電一體控制系統(tǒng)。它不僅需要水泵、風(fēng)機(jī)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(wú)刷電機(jī)控制理論發(fā)展的成熟，無(wú)位置無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用得到普及，它具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)惡劣環(huán)境、維護(hù)方便、便于智能控制等系列優(yōu)點(diǎn)，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(guó)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(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)串口傳送液冷數(shù)據(jù)，如水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、液冷溫度、液冷液位高度等，實(shí)現(xiàn)液冷智能自動(dòng)控制，如圖 1 所示。

2 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)水泵的驅(qū)動(dòng)策略

本設(shè)計(jì)的水泵使用無(wú)位置無(wú)刷水泵，驅(qū)動(dòng)控制采用 8 位的 STC 系列國(guó)產(chǎn)單片機(jī)為核心，利用反電勢(shì)法設(shè)計(jì)了一種無(wú)位置傳感器無(wú)刷水泵驅(qū)動(dòng)控制器。利用 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)器件，給出了全橋式逆變電路和位置檢測(cè)電路的原理圖。

2.1 采用反電勢(shì)法無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)是如何驅(qū)動(dòng)與控制的呢？通常，無(wú)刷電機(jī)都要使用位置傳感器來(lái)檢測(cè)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，但位置傳感器有一些缺點(diǎn)，比如：增加成本、增加無(wú)刷電機(jī)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(shì)法孕育而生，其優(yōu)點(diǎn)是：降低無(wú)刷電機(jī)成本、減少無(wú)刷電機(jī)

體積、減少故障、適應(yīng)惡劣環(huán)境、可靠性提高等。反電勢(shì)法的工作原理是通過(guò)檢測(cè)無(wú)刷電機(jī)的不導(dǎo)通繞組的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)找到反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，再延遲 30° 電角度進(jìn)行換相。如圖 2 所示，A 相繞組的反電勢(shì)在一個(gè)電周期內(nèi)的波形，其中橫軸代表當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻的電角度，縱軸代表 A 相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì) Ea。從圖中可以看出，當(dāng)檢測(cè)到反電勢(shì)信號(hào)過(guò)零點(diǎn) Z4 后，再延遲 30° 電角度即是換相點(diǎn) [1]。對(duì)于三相繞組電機(jī)，每隔 60° 電角度就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零點(diǎn)信號(hào)被 STC15W408AS微控制器檢測(cè)并處理。

2.2 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)水泵的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在本電路的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，電路上橋臂采用MOSFET P 管，下橋臂使用 MOSFET N 管，與電機(jī)繞組連接電路簡(jiǎn)單。此電路的設(shè)計(jì)采用了 MOSFET P 管和 MOSFET N管，簡(jiǎn)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。

2.3 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)水泵的單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

在電路的設(shè)計(jì)中采用 8 位的 STC15W408AS 系列國(guó)產(chǎn)單片機(jī)為核心，檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)判斷轉(zhuǎn)子位置，對(duì)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行有效地控制，電路原理圖如圖 4。

反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)由比較器 LM339 組 成 的 檢 測(cè) 電 路，檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)給單片 機(jī) STC15W408AS， 提供無(wú)刷直流電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)控制無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)水泵的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行正確地?fù)Q相，驅(qū)動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)水泵的單片機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)

水泵的系統(tǒng)主程序流程如圖 5 所示。水泵在停止的時(shí)候，無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子處于位置不確定的停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)檢測(cè)不到反電勢(shì)信號(hào)，因此需要先確定轉(zhuǎn)子的位置，讓轉(zhuǎn)子先轉(zhuǎn)起來(lái);采用開(kāi)環(huán)強(qiáng)制換相并加速直到可以檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的時(shí)候再讀取反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，采用擇多函數(shù)處理，防止干擾信號(hào) [6]。在讀取到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后計(jì)算換相延時(shí) 30° 電角度，利用定時(shí)器延時(shí)，延時(shí)到30° 電角度后換相進(jìn)入新的循環(huán)過(guò)程。在正常運(yùn)行的同時(shí)接收 ARM 核 MCU 的調(diào)速控制信息。

3 液冷的系統(tǒng)控制

液冷系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中由國(guó)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(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)串口傳送液冷數(shù)據(jù)，如水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、液冷溫度、液冷液位高度等，實(shí)現(xiàn)液冷智能自動(dòng)控制。

軟件設(shè)計(jì)主控制程序流程圖如圖 6 所示，首先進(jìn)行初始化程序，初始化程序設(shè)計(jì)主要是完成 GD32F450的 GPIO 配置、定時(shí)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(guò) GD32F450 讀取溫度、設(shè)置風(fēng)機(jī) PWM、設(shè)置水泵轉(zhuǎn)速，上報(bào)系統(tǒng)溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、液位等信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能的控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在圖 7 中顯示了 8 個(gè)加熱模塊的溫度，每個(gè)模塊450 W 的熱耗功率，一共為 3 650 W 的熱耗功率，8 個(gè)發(fā)熱模塊均勻分布在 410 mm×340 mm 的冷板上。在環(huán)境溫度為 17 ℃ 的情況下，開(kāi)啟液冷系統(tǒng)，熱耗功率3 650 W，通過(guò)液冷系統(tǒng)的冷板吸收熱量，再通過(guò)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(guò)換熱器由風(fēng)機(jī)把熱量釋放出來(lái)。測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)熱功率在 3 650 W、環(huán)境溫度 17 ℃ 的情況下，熱平衡時(shí)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(cè)試結(jié)果。

結(jié)論：本實(shí)驗(yàn)中熱耗功率加至 3 650 W 時(shí)，最高溫升至 28 ℃ 左右，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，能夠滿足（具體發(fā)熱量 3 650 W）3 kw 功放單元滿功率負(fù)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(yǔ)

本文的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)水泵以 8 位的STC15W408AS 系列國(guó)產(chǎn)單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制，采用擇多函數(shù)濾波實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方式，能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)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(guó)產(chǎn) 32 位 ARM 核 MCU，以 GD32F450 為控制核心，讀取溫度信息，對(duì)水泵、風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了合理的智能控制。

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