基于ARM芯片的电能质量治理模块散热系统设计

张恩寿 万春红 姚鹏 罗绍波

摘要：常规的电能质量治理模块散热系统一般均是采用主控制器控制，或通过压频转换电路驱动实现散热风机转速调节。主控制器主要作用是通过加载相关的谐波、无功等检测算法，利用逆变算法控制功率开关管的导通，实现谐波抑制和无功补偿。采用主控制器控制散热系统势必增加主控制器的负担，而采用压频转换电路驱动则频率输出很难跟踪模块温度变化。鉴于此，提出了基于ARM芯片的散热系统设计，能减少主控制器的负担，保证模块的正常运行。

关键词：压频转换;电能质量;谐波;无功补偿;ARM芯片

0    引言

随着社会经济的发展，用户的负荷发生了很大变化，很多非线性负荷也加到了用户终端上，节能灯、计算机、工业变频设备和整流设备等均会产生谐波，增加了无功功率的需求。谐波从终端设备向电网侧反馈，污染电网;无功功率需求增加，导致供电电压下降，影响设备的运行。在用户终端负荷侧加装电能质量治理设备可以实现谐波抑制、无功补偿和平衡三相功率。有源电能质量治理设备主要通过检测电路中的谐波电流、无功电流和相关的不平衡参数，通过控制功率开关管的导通、逆变出需要的波形，实现电能质量治理。电能质量治理模块中包含了关键的功率开关管和电容等电力电子器件，温度对功率开关管的影响较为突出，温度过高功率开关管性能下降，电容的寿命也下降。

本文针对传统的电能质量治理模块提出了基于ARM芯片的新型散热系统设计，结合PID控制技术，实现了模块温度的控制，能减少主控制器的控制运算负担并节省电能。

1    压频转换电路

一般功率开关管模块均带有一个负温度系数的热敏电阻，如嘉兴斯达的GD50FFL120C5S IGBT模块包含了一个NTC热敏电阻，其B-value的值为3 375 K，25 ℃时阻值为5 kΩ，该IGBT模块的最大允许结温为175 ℃。

散热系统设计基于IGBT模块热敏电阻的温度曲线对电能质量治理模块的温度进行采集，利用该热敏电阻与一个低温漂、高精度的电阻进行串联分压，将该电压进行电压—频率转换，输出脉冲频率随温度变化的方波。压频转换电路原理如图3所示。

图中，R1为IGBT模块的NTC热敏电阻，R2为低温漂、高精度电阻。

此电路实现了当电能质量治理模块的温度上升时，NTC热敏电阻阻值下降，分压输入上升，输出脉冲频率升高，散热风机转速加快，使整个电能质量治理模块温度下降。但采用此电路存在一个弊端：NTC热敏电阻阻值随温度的变化为一有限值，即电能质量治理模块中，任何温度下风机都在运行，这样势必浪费电能，并且模块中需要多路驱动时，所有风机的运行状态均一样，不可分开控制。

2    基于ARM芯片的散热系统设计

ARM芯片具有低功耗的特点，本文基于ARM芯片的CORETEXT-M4系列进行设计，采用兆易创新的GD32F303-

RCT6作为控制芯片，利用该芯片的高级定时器生成PWM波形，输出至散热风机驱动电路，通过IGBT热敏电阻的温度反馈，并结合PID控制算法，调节定时器的PWM波形的占空比，将电能质量治理模块温度控制在合理的运行范围内。系统结构如图4所示。

2.1    控制芯片的特点

GD32F303RCT6最高运行频率120 MHz，支持数字信号处理指令和浮点运算指令，单周期乘加运算，256K字节flash存储，48K字节SRAM;具有两个高级定时器，支持正交编码器接口和霍尔传感器接口，可编程死区时间，带刹车功能，适合电机控制;此外，支持16路ADC输入和2路DAC输出。

2.2    溫度采样

利用NTC热敏电阻与低温漂、高精度电阻分压，经二极管钳位在0～3.3 V后，输入至GD32F303RCT6的PA3管脚，经ADC转换后对电压与温度关系进行标定。GD32F303RCT6的ADC精度可配置为12位、10位、8位和6位，支持DMA传输和多种转换模式，支持过采样和自校准。程序设计时，需先设置ADC时钟，GD32F303RCT6的ADC最大支持40 MHz时钟，可以设置为APB2总线时钟的2、4、6、8、12、16分频或AHB总线时钟的5、6、10、20分频。使能GPIO时钟和ADC时钟，并设置GPIO工作模式和ADC通道的工作模式，开启ADC转换。对ADC采样数值与模块温度进行标定，实现温度数据获取。

2.3    PWM波形控制

经ADC采样和标定后的数据，通过预设一个合理的温升范围，将ADC采样转化的数据作为PID控制环的反馈，采样转化值与预设温升的标定值之差作为PID输入，GD32F303RCT6定时器输出PWM脉冲的占空比作为PID控制对象，实现电能质量治理模块的温度稳定在一个合理的范围内。控制流程如图5所示。

程序设计包含两个部分：PID控制程序的初始化和高级定时器的PWM初始化。PID设置流程：结合ADC采样数据定义并初始化arm_pid_instance_f32结构体参数，调用ARM提供的PID初始化函数，将PID处理函数arm_pid_f32的值赋于PWM脉冲的占空比参数。高级定时器的PWM设置流程：使能GPIO时钟和高级定时器时钟，设置定时器的分频系数和计数周期值等参数，初始化高级定时器;设置PWM的极性、空闲状态及工作模式等参数，初始化PWM结构体，将PID处理函数结果作为PWM占空比的输入。

随着温度的变化，适当调节PWM占空比，实现散热风机转速的相应变化。当温度恒定在预设的温升范围内，可以停止PWM输出或减小占空比，散热风机停止工作，实现节能。预设温度为110 ℃时，ADC采样数据、标定温度、PWM占空比和风机转速结果如表1所示。

3    结语

基于ARM芯片设计的电能质量治理模块散热系统能减轻主控制器负担，节约电能和稳定模块内的温度，其克服了常规的电能质量治理模块散热系统温度跟踪慢且持续运行的特点，当温度处在预设范围内时，可降低散热风机运行的转速甚至停止其运行。GD32F303RCT6的两个高级定时器共8个通道、16路输出PWM，并且每一通道的占空比均可独立设置，可实现多个风机运行在各不相同的转速下，相互独立、互不干扰，提高了控制灵活性。

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收稿日期：2019-11-21

作者简介：张恩寿（1992—），男，云南保山人，助理工程师，研究方向：电能质量综合治理。