基于東芝TMPM374微處理器無刷直流電機變頻控制

摘要：為了響應綠色環保，節約能耗，降低噪音，直流變頻調速發展越來越普及，調速的性能也不斷地提高。矢量控制理論經過幾十年的發展，技術也比較成熟。為此東芝開發了基于ARM  Cortex—M3內核的M370系列微處理器，該系列微處理器主要用于電機控制，內置了硬件矢量引擎VE，矢量控制算法由硬件實現。東芝TMPM374作為主控制器，和東芝IPD功率驅動模塊及電流采樣模塊，構成了無位置傳感器的無刷直流電機變頻驅動控制方案。該方案利用微處理器內置的硬件矢量引擎VE，減少了軟件工作量，軟硬件巧妙的配合，輸出三相正弦波來控制電機，使整個控制系統成本低，能耗低，噪音低，在家電變頻控制領域得到了廣泛應用。

關鍵詞：伺服控制，空間矢量控制，矢量引擎(VE)，ARM內核Cortex—M3，東芝TMPM374，無刷直流

1 引言

由于無刷直流電機結構簡單、能耗低、易于維護，采用無位置傳感器控制方式，降低了成本，因此越來越受到大家的青睞。東芝長期從事變頻技術的研發，在TMPM370系列微處理器中設計了獨特的內置硬件矢量引擎(VE)，矢量控制各種算法和數據傳遞通過硬件實現，減少了軟件工作量。參考該解決方案，用戶縮短了開發周期，變頻產品也穩定可

靠。因此被應用于變頻空調、洗衣機、冰箱、空氣清新器和直流風扇等變頻家電領域。

2 矢量控制

電機矢量控制方框圖如圖1所示，位置、速度、電流構成三閉環控制系統，最內環是電流環，直接影響系統的響應速度，接下來是速度和位置環，均采用PI控制方法，其中速度控制和轉子位置估算由軟件實現，電流控制由內置的硬件矢量引擎VE實現。硬件矢量引擎VE完成矢量控制算法，減少了軟件處理工作，也可以根據需要靈活選擇各處理任務。用戶只需根據不同電機，調整一套合適的PI控制參數，電機就能達到很好的控制效果。

2.1 相電流檢測

電機相電流采用串聯分流電阻測量反電勢的檢驗方法。三電阻檢測的方式如圖2所示，電流IU、IV、IW可以根據分流電阻Rx、Ry、Rz的電流Ix、Iy、Iz計算，計算公式如下表1所示。

2. 2 UVW/αβ變換(Clarke變換)

矢量由從三相靜止坐標系(UVW)變換到兩相靜止坐標系(αβ)，叫Clarke變換。給三相U、V、W線圈加入電流IU、IV、IW產生的磁場和給兩相α、β線圈加入電流Iα、Iβ產生的磁場相同，IU、IV、IW和Iα、Iβ它們之間的關系根據以下公式計算，注意U與α方向相同。

Iu+Iv+Iw=0 Iα=Iu Iβ=(Iu+2Iv)/√3

2.3 αβ/dq變換(Park變換)

矢量由兩相靜止坐標系變到兩相旋轉坐標系的變換，稱為Park變換。給d、q線圈加入電流Id、Iq產生的磁場和給α、β線圈加入電流Iα、Iβ產生的磁場相同，Id、Iq和Iα、Iβ它們之間的關系可以根據以下公式計算：

Id=cosθ×Iα+sinθ×Iβ Iq=-sinθ×Iα+cosθ×Iβ

2.4 dq/αβ變換(Park逆變換)

矢量由兩相旋轉坐標系變到兩相靜止坐標系的變換，稱為Park逆變換。即是αβ/dq變換的逆變化，可以根據以下公式計算：

Vα=cosθ×Vd-sinθ×VαVβ=sinθ×Vd+cosθ×Vq

2. 5 αβ/UVW變換(Clarke逆變換)

矢量由兩相靜止坐標系αβ變換到三相靜止坐標系(UVW)，叫Clarke逆變換。即是UVW/αβ變換的逆變化，可以根據以下公式計算：

Iu=Vα Iv=-Vα√2+√3 Vβ/2 Iw=-Vα√2-√3 Vβ/2

2.6 正弦波產生

在一個PWM周期里，上橋u、v、w和下橋x、y、z的開關有8種組合狀態。除0矢量(000和111)之外，6種電壓矢量V1～V6都會產生磁場。任意的電壓矢量V都可以看作是兩個相鄰電壓矢量的合成，當上橋功率管開通時，其下橋相對的功率管將被關閉。1表示為上橋(u、v、w)開通，下橋(x、y、z)為關閉，0表示為上橋(u、v、w)關閉，下橋(x、v、z)為開通。

例如：在扇區1上，Vα和Vβ的合成矢量V，也是電壓矢量V1’和V2’的合成矢量，空間矢量V1與V2作用時間為t1和t2，還有0矢量作用時間t3。在半個PWM周期T內扇區1的t1、t2、t3的計算公式如下：

Vα=2/3×(V1’+V2’xcos60°)

Vβ=2/3×(V2’xsin60°)

從上兩式可以得出：

V1’=3/2×Vα-√3/2×Vβ

V2’=√3×Vβ

設DC電壓為Vdc，半個周期PWM為T：

V1’=t1/TxVdc V2’=t2/T×Vdc

K=√3×T/Vdc

因此：

t1=T/Vdc×V1’=K×(√3/2×Vα-1/2×Vβ)

t2=T/Vdc×V2’=K×Vβ

t3=T-t1-t2

設tU、tV、tW：u、v、w三相的打開時間(半個PWM周期T)，假設Vd=0，則

tU=t1+t2+t3/2=KxVqx(1-√3/2xsinθ+1/2xcosθ)/2

tV=t2+t3/2=K×Vq×(1+√3/2×sinθ+3/2×cosθ)/2

tW=t3/2=K×Vq×(1+√3/2×sinθ-1/2×cosθ)/2

同理也可以計算在其它扇區的打開時間。空間矢量運算U、V、W端產生電壓波形如圖6所示。(假設Vd=0)。

3 系統硬件設計

選用東芝TMPM374芯片作為主控芯片，內置矢量引擎VE、電機驅動電路PMD和AD轉換模塊相結合，共同實現了無刷直流電機矢量控制。東芝功率驅動模塊IPD4144產生高壓驅動波形，該模塊內置過流、欠壓鎖定，過溫監控功能，如果進入保護狀態，模塊U、V、W，X、Y、Z六相均處于關閉狀態。它具有硬件EMG過流保護，軟件過流保護，過壓、欠壓保護，失步，缺相等保護功能。系統控制框圖如圖7所示。

3.1 相電流反饋檢測

電流反饋檢測由分流電阻、運算放大器和A/D轉換部分組成。因為電流信號較弱，需經過放大器進行放大處理，再送到MCU的A/D轉換接口，原理圖如8和9所示。

3.2 保護電路

硬件EMG過流保護，當電流過大時，IPD功率驅動模塊輸出EMG信號，此信號輸入到MCU的EMG管腳，MCU將產生硬件EMG中斷，關閉所有輸出，電路原理圖如圖10和圖11所示。如果系統中出現過、欠壓情況，系統可以通過過欠壓檢測信號輸入到A/D轉換模塊，通過軟件處理。電路原理圖如圖12所示。

4 系統軟件設計

馬達控制流程如圖13所示：

電機控制包括停止、定位、強制運轉、強制一穩定切換、穩定五個階段。電機從啟動到穩定運轉，需要依次經過各階段。在每個階段，進行相應的控制。定位階段也稱直流勵磁階段，電流流過線圈使鐵芯處產生磁通量，轉子的位置固定在0點附近;強制運轉階段，轉子開始轉動。該階段無反饋處理，而是強制地加入旋轉磁場，轉子跟隨該旋轉磁場進行轉動。當速度達到一個最低頻率時，進入下一階段;強制→穩定切換階段進行從強制運轉切換至穩定狀態的處理。電機配合轉子的位置進行轉動。穩定階段，電機按照轉子位置和目標速度進行轉動。

5 實驗測試結果

應用上述空間矢量控制理論，在硬件電路的基礎上，軟件編程控制電機啟動和運行兩個實驗結果如圖14圖和15所示。實驗電機參數如下：輸入電壓220V，電感90mH，電阻53.5ohm，極對數：4極。結果表明電機速度響應時間，電流大小，運行穩定性，可靠性，均滿足系統測試要求，己應用于很多家電制造廠商。

結束語

利用東芝內置的硬件矢量引擎，減少了軟件工作量，加快運行速度，實現電機正弦波驅動，運行平穩，靜音，啟動可靠等性能指標。