基于國產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，結構簡單、抗干擾能力強、工作穩定、成本較低、控制靈活、實用性強，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非常典型的機電一體控制系統。它不僅需要水泵、風機作為執行元件，更需要MCU的控制單元。隨著電子技術以及無刷電機控制理論發展的成熟，無位置無刷直流電機的應用得到普及，它具有體積小、結構簡單、適應惡劣環境、維護方便、便于智能控制等系列優點，在水泵領域得到廣泛的應用。液冷智能系統控制采用國產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、風機轉速，通過串口傳送液冷數據，如水泵轉速、風機轉速、液冷溫度、液冷液位高度等，實現液冷智能自動控制，如圖1 所示。

圖1 液冷系統控制框圖

2   無位置傳感器無刷直流電機水泵的驅動策略

本設計的水泵使用無位置無刷水泵，驅動控制采用8 位的STC系列國產單片機為核心，利用反電勢法設計了一種無位置傳感器無刷水泵驅動控制器。利用MOSFET 作為開關器件，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動策略

無位置傳感器無刷直流電機是如何驅動與控制的呢？通常，無刷電機都要使用位置傳感器來檢測無刷電機轉子的位置來進行驅動和控制，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、不能適應惡劣環境等。因此，反電勢法孕育而生，其優點是：降低無刷電機成本、減少無刷電機體積、減少故障、適應惡劣環境、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的波形，其中橫軸代表當前運行時刻的電角度，縱軸代表A 相繞組產生的反電勢Ea。從圖中可以看出，當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動電路設計

在本電路的驅動電路設計中，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單。此電路的設計采用了MOSFET P管和MOSFET N管，簡化了電路，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 無刷電機驅動電路

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計

在電路的設計中采用8位的STC15W408AS 系列國產單片機為核心，檢測反電勢過零信號判斷轉子位置，對無刷電機驅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子位置信號，從而實現控制無位置傳感器無刷直流電機水泵的驅動電路進行正確地換相，驅動無位置傳感器無刷直流電機水泵正常運轉。

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計

水泵的系統主程序流程如圖5 所示。水泵在停止的時候，無刷電機的轉子處于位置不確定的停止狀態，此時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；采用開環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過程。在正常運行的同時接收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程中由國產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、風機轉速，通過串口傳送液冷數據，如水泵轉速、風機轉速、液冷溫度、液冷液位高度等，實現液冷智能自動控制。

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

圖6 液冷系統控制框圖

4   實驗結果與分析

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 個發熱模塊均勻分布在41 mm×340mm的冷板上。在環境溫度為17 ℃的情況下，開啟液冷系統，熱耗功率3 650W，通過液冷系統的冷板吸收熱量，再通過換熱器釋放熱量。冷板里的乙二醇溶液由水泵打入，再流到換熱器里經過換熱器由風機把熱量釋放出來。測試結果表明，發熱功率在3 650W、環境溫度17℃ 的情況下，熱平衡時的溫升是28℃。結果表明液冷智能控制系統滿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：本實驗中熱耗功率加至3 650 W 時，最高溫升至28 ℃ 左右，從實驗結果來看，能夠滿足（具體發熱量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 系列國產單片機為核心，實現了無位置傳感器無刷直流電機控制，采用擇多函數濾波實現反電動勢過零點檢測方式，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32 位ARM核MCU，以GD32F450 為控制核心，讀取溫度信息，對水泵、風機進行智能調控，實現了合理的智能控制。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志社2022年10月期）