基于東芝TMPM374微處理器無刷直流電機(jī)變頻控制

摘要：為了響應(yīng)綠色環(huán)保，節(jié)約能耗，降低噪音，直流變頻調(diào)速發(fā)展越來越普及，調(diào)速的性能也不斷地提高。矢量控制理論經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)也比較成熟。為此東芝開發(fā)了基于ARM  Cortex—M3內(nèi)核的M370系列微處理器，該系列微處理器主要用于電機(jī)控制，內(nèi)置了硬件矢量引擎VE，矢量控制算法由硬件實(shí)現(xiàn)。東芝TMPM374作為主控制器，和東芝IPD功率驅(qū)動模塊及電流采樣模塊，構(gòu)成了無位置傳感器的無刷直流電機(jī)變頻驅(qū)動控制方案。該方案利用微處理器內(nèi)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(jī)，使整個控制系統(tǒng)成本低，能耗低，噪音低，在家電變頻控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：伺服控制，空間矢量控制，矢量引擎(VE)，ARM內(nèi)核Cortex—M3，東芝TMPM374，無刷直流

1 引言

由于無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、易于維護(hù)，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(shù)的研發(fā)，在TMPM370系列微處理器中設(shè)計(jì)了獨(dú)特的內(nèi)置硬件矢量引擎(VE)，矢量控制各種算法和數(shù)據(jù)傳遞通過硬件實(shí)現(xiàn)，減少了軟件工作量。參考該解決方案，用戶縮短了開發(fā)周期，變頻產(chǎn)品也穩(wěn)定可

靠。因此被應(yīng)用于變頻空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、空氣清新器和直流風(fēng)扇等變頻家電領(lǐng)域。

2 矢量控制

電機(jī)矢量控制方框圖如圖1所示，位置、速度、電流構(gòu)成三閉環(huán)控制系統(tǒng)，最內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，接下來是速度和位置環(huán)，均采用PI控制方法，其中速度控制和轉(zhuǎn)子位置估算由軟件實(shí)現(xiàn)，電流控制由內(nèi)置的硬件矢量引擎VE實(shí)現(xiàn)。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(jù)需要靈活選擇各處理任務(wù)。用戶只需根據(jù)不同電機(jī)，調(diào)整一套合適的PI控制參數(shù)，電機(jī)就能達(dá)到很好的控制效果。

2.1 相電流檢測

電機(jī)相電流采用串聯(lián)分流電阻測量反電勢的檢驗(yàn)方法。三電阻檢測的方式如圖2所示，電流IU、IV、IW可以根據(jù)分流電阻Rx、Ry、Rz的電流Ix、Iy、Iz計(jì)算，計(jì)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(biāo)系(UVW)變換到兩相靜止坐標(biāo)系(αβ)，叫Clarke變換。給三相U、V、W線圈加入電流IU、IV、IW產(chǎn)生的磁場和給兩相α、β線圈加入電流Iα、Iβ產(chǎn)生的磁場相同，IU、IV、IW和Iα、Iβ它們之間的關(guān)系根據(jù)以下公式計(jì)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(biāo)系變到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，稱為Park變換。給d、q線圈加入電流Id、Iq產(chǎn)生的磁場和給α、β線圈加入電流Iα、Iβ產(chǎn)生的磁場相同，Id、Iq和Iα、Iβ它們之間的關(guān)系可以根據(jù)以下公式計(jì)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(zhuǎn)坐標(biāo)系變到兩相靜止坐標(biāo)系的變換，稱為Park逆變換。即是αβ/dq變換的逆變化，可以根據(jù)以下公式計(jì)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(biāo)系αβ變換到三相靜止坐標(biāo)系(UVW)，叫Clarke逆變換。即是UVW/αβ變換的逆變化，可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

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

2.6 正弦波產(chǎn)生

在一個PWM周期里，上橋u、v、w和下橋x、y、z的開關(guān)有8種組合狀態(tài)。除0矢量(000和111)之外，6種電壓矢量V1～V6都會產(chǎn)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(dāng)上橋功率管開通時，其下橋相對的功率管將被關(guān)閉。1表示為上橋(u、v、w)開通，下橋(x、y、z)為關(guān)閉，0表示為上橋(u、v、w)關(guān)閉，下橋(x、v、z)為開通。

例如：在扇區(qū)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(nèi)扇區(qū)1的t1、t2、t3的計(jì)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(shè)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(shè)tU、tV、tW：u、v、w三相的打開時間(半個PWM周期T)，假設(shè)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(jì)算在其它扇區(qū)的打開時間?？臻g矢量運(yùn)算U、V、W端產(chǎn)生電壓波形如圖6所示。(假設(shè)Vd=0)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用東芝TMPM374芯片作為主控芯片，內(nèi)置矢量引擎VE、電機(jī)驅(qū)動電路PMD和AD轉(zhuǎn)換模塊相結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)矢量控制。東芝功率驅(qū)動模塊IPD4144產(chǎn)生高壓驅(qū)動波形，該模塊內(nèi)置過流、欠壓鎖定，過溫監(jiān)控功能，如果進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，模塊U、V、W，X、Y、Z六相均處于關(guān)閉狀態(tài)。它具有硬件EMG過流保護(hù)，軟件過流保護(hù)，過壓、欠壓保護(hù)，失步，缺相等保護(hù)功能。系統(tǒng)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(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。因?yàn)殡娏餍盘栞^弱，需經(jīng)過放大器進(jìn)行放大處理，再送到MCU的A/D轉(zhuǎn)換接口，原理圖如8和9所示。

3.2 保護(hù)電路

硬件EMG過流保護(hù)，當(dāng)電流過大時，IPD功率驅(qū)動模塊輸出EMG信號，此信號輸入到MCU的EMG管腳，MCU將產(chǎn)生硬件EMG中斷，關(guān)閉所有輸出，電路原理圖如圖10和圖11所示。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過、欠壓情況，系統(tǒng)可以通過過欠壓檢測信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，通過軟件處理。電路原理圖如圖12所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

馬達(dá)控制流程如圖13所示：

電機(jī)控制包括停止、定位、強(qiáng)制運(yùn)轉(zhuǎn)、強(qiáng)制一穩(wěn)定切換、穩(wěn)定五個階段。電機(jī)從啟動到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，需要依次經(jīng)過各階段。在每個階段，進(jìn)行相應(yīng)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(chǎn)生磁通量，轉(zhuǎn)子的位置固定在0點(diǎn)附近;強(qiáng)制運(yùn)轉(zhuǎn)階段，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動。該階段無反饋處理，而是強(qiáng)制地加入旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子跟隨該旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行轉(zhuǎn)動。當(dāng)速度達(dá)到一個最低頻率時，進(jìn)入下一階段;強(qiáng)制→穩(wěn)定切換階段進(jìn)行從強(qiáng)制運(yùn)轉(zhuǎn)切換至穩(wěn)定狀態(tài)的處理。電機(jī)配合轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行轉(zhuǎn)動。穩(wěn)定階段，電機(jī)按照轉(zhuǎn)子位置和目標(biāo)速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

應(yīng)用上述空間矢量控制理論，在硬件電路的基礎(chǔ)上，軟件編程控制電機(jī)啟動和運(yùn)行兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14圖和15所示。實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)如下：輸入電壓220V，電感90mH，電阻53.5ohm，極對數(shù)：4極。結(jié)果表明電機(jī)速度響應(yīng)時間，電流大小，運(yùn)行穩(wěn)定性，可靠性，均滿足系統(tǒng)測試要求，己應(yīng)用于很多家電制造廠商。

結(jié)束語

利用東芝內(nèi)置的硬件矢量引擎，減少了軟件工作量，加快運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正弦波驅(qū)動，運(yùn)行平穩(wěn)，靜音，啟動可靠等性能指標(biāo)。