基于國產(chǎn)ARM核MCU的液冷智能控制系統

摘要：該智能液冷控制系統軟硬件采用模塊化設計，結構簡(jiǎn)單、抗干擾能力強、工作穩定、成本較低、控制靈活、實(shí)用性強，可廣泛應用于大功率元器件的散熱。

1   引言

液冷系統的控制是一個(gè)非常典型的機電一體控制系統。它不僅需要水泵、風(fēng)機作為執行元件，更需要MCU的控制單元。隨著(zhù)電子技術(shù)以及無(wú)刷電機控制理論發(fā)展的成熟，無(wú)位置無(wú)刷直流電機的應用得到普及，它具有體積小、結構簡(jiǎn)單、適應惡劣環(huán)境、維護方便、便于智能控制等系列優(yōu)點(diǎn)，在水泵領(lǐng)域得到廣泛的應用。液冷智能系統控制采用國產(chǎn)32位ARM核MCU，以GD32F450為核心讀取液冷溫度，根據溫度的變化為依據，水泵流量、風(fēng)機轉速，通過(guò)串口傳送液冷數據，如水泵轉速、風(fēng)機轉速、液冷溫度、液冷液位高度等，實(shí)現液冷智能自動(dòng)控制，如圖1 所示。

圖1 液冷系統控制框圖

2   無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機水泵的驅動(dòng)策略

本設計的水泵使用無(wú)位置無(wú)刷水泵，驅動(dòng)控制采用8 位的STC系列國產(chǎn)單片機為核心，利用反電勢法設計了一種無(wú)位置傳感器無(wú)刷水泵驅動(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電路的原理圖。

2.1 采用反電勢法無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機驅動(dòng)策略

無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機是如何驅動(dòng)與控制的呢？通常，無(wú)刷電機都要使用位置傳感器來(lái)檢測無(wú)刷電機轉子的位置來(lái)進(jìn)行驅動(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)刷電機體積、易出故障、易遭受干擾、不能適應惡劣環(huán)境等。因此，反電勢法孕育而生，其優(yōu)點(diǎn)是：降低無(wú)刷電機成本、減少無(wú)刷電機體積、減少故障、適應惡劣環(huán)境、可靠性提高等。反電勢法的工作原理是通過(guò)檢測無(wú)刷電機的不導通繞組的反電動(dòng)勢來(lái)找到反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)，再延遲30° 電角度進(jìn)行換相。如圖2 所示，A 相繞組的反電勢在一個(gè)電周期內的波形，其中橫軸代表當前運行時(shí)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，當檢測到反電勢信號過(guò)零點(diǎn)Z4 后，再延遲30° 電角度即是換相點(diǎn)^[1]。對于三相繞組電機，每隔60° 電角度就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)反電勢過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零點(diǎn)信號被STC15W408AS微控制器檢測并處理。

圖2 反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)延時(shí)30°換相原理圖

2.2 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機水泵的驅動(dòng)電路設計

在本電路的驅動(dòng)電路設計中，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(jiǎn)單。此電路的設計采用了MOSFET P管和MOSFET N管，簡(jiǎn)化了電路，節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(wú)刷電機驅動(dòng)電路

2.3 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機水泵的單片機控制電路設計

在電路的設計中采用8位的STC15W408AS 系列國產(chǎn)單片機為核心，檢測反電勢過(guò)零信號判斷轉子位置，對無(wú)刷電機驅動(dòng)電路進(jìn)行有效地控制，電路原理圖如圖4。

反電動(dòng)勢信號經(jīng)過(guò)由比較器LM339組成的檢測電路，檢測出反電動(dòng)勢過(guò)零信號給單片機STC15W408AS， 提供無(wú)刷直流電機水泵的轉子位置信號，從而實(shí)現控制無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機水泵的驅動(dòng)電路進(jìn)行正確地換相，驅動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機水泵正常運轉。

2.4 無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機水泵的單片機控制程序的設計

水泵的系統主程序流程如圖5 所示。水泵在停止的時(shí)候，無(wú)刷電機的轉子處于位置不確定的停止狀態(tài)，此時(shí)檢測不到反電勢信號，因此需要先確定轉子的位置，讓轉子先轉起來(lái)；采用開(kāi)環(huán)強制換相并加速直到可以檢測到反電動(dòng)勢的時(shí)候再讀取反電動(dòng)勢信號，采用擇多函數處理，防止干擾信號^[6]。在讀取到反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)后計算換相延時(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。在正常運行的同時(shí)接收ARM核MCU的調速控制信息。

圖5 控制框圖

3   液冷的系統控制

液冷系統在運行的過(guò)程中由國產(chǎn)32 位ARM 核MCU GD32F450為核心讀取液冷溫度，根據溫度的變化調節水泵流量、風(fēng)機轉速，通過(guò)串口傳送液冷數據，如水泵轉速、風(fēng)機轉速、液冷溫度、液冷液位高度等，實(shí)現液冷智能自動(dòng)控制。

軟件設計主控制程序流程圖如圖6 所示，首先進(jìn)行初始化程序，初始化程序設計主要是完成GD32F450的GPIO配置、定時(shí)器配置、串口設置、PWM設置、QT18B20溫度讀取設置、中斷服務(wù)配置等。系統的重要功能是通過(guò)GD32F450讀取溫度、設置風(fēng)機PWM、設置水泵轉速，上報系統溫度、風(fēng)機轉速、水泵轉速、液位等信息，實(shí)現系統智能的控制。

圖6 液冷系統控制框圖

4   實(shí)驗結果與分析

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41 mm×340mm的冷板上。在環(huán)境溫度為17 ℃的情況下，開(kāi)啟液冷系統，熱耗功率3 650W，通過(guò)液冷系統的冷板吸收熱量，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)機把熱量釋放出來(lái)。測試結果表明，發(fā)熱功率在3 650W、環(huán)境溫度17℃ 的情況下，熱平衡時(shí)的溫升是28℃。結果表明液冷智能控制系統滿(mǎn)足了液冷的散熱要求，表1中為測試結果。

(a)初始溫度

(b)熱平衡下的溫度

圖7 液冷系統溫升情況

結論：本實(shí)驗中熱耗功率加至3 650 W 時(shí)，最高溫升至28 ℃ 左右，從實(shí)驗結果來(lái)看，能夠滿(mǎn)足（具體發(fā)熱量3 650 W）3 kw 功放單元滿(mǎn)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   結語(yǔ)

本文的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機水泵以8位的STC15W408AS 系列國產(chǎn)單片機為核心，實(shí)現了無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機控制，采用擇多函數濾波實(shí)現反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)檢測方式，能快速準確地檢測轉子位置信息，具有良好的性能。而液冷智能系統控制部分采用國產(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(jìn)行智能調控，實(shí)現了合理的智能控制。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2022年10月期）