基于TMPM374和IPD的變頻冰箱參考方案
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以傳統(tǒng)開關控制的電機驅動方式消耗了全球近40%的電力，針對電機驅動效率的改善要求在現(xiàn)今全球化的節(jié)能浪潮下也越來越受到眾多關注，國家新公布的"節(jié)能產品惠民工程"再一次將空調、洗衣機、家用電冰箱列為補貼對象。基于變頻方式的電機驅動控制盡管可有效的提高能效比，但復雜的設計卻是開發(fā)人員必須面對的一個不小挑戰(zhàn)，而且為了輔助復雜的運算，此類方案多會使用一些昂貴的處理器，如數(shù)字信號控制器。東芝半導體最新基于ARM Cortex-M3 內核集成矢量控制引擎(Vector Engine)模塊的TMPM374 微控制器和集成的智能驅動器模塊(IPD)可協(xié)助設計人員克服上述問題。
2 系統(tǒng)結構
圖1 冰箱系統(tǒng)結構框圖。
如圖1 展示的就是一個基于東芝TMPM374 和IPD TPD4135K 的冰箱控制系統(tǒng)結構框圖。
TMPM374 是東芝基于Cortex-M3 內核處理器TX03 家族系列的產品，在該系列中處理器內部均集成了硬件的矢量控制引擎(VE)模塊，該矢量控制引擎模塊將傳統(tǒng)的電機復雜的矢量運算通過硬件替換，簡化了開發(fā)難度，它的使用極大提高了電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定及高效。
功率器件TPD4135K 為東芝的3A 智能集成功率模塊IPD(Intelligent PowerDevice)，該器件最大支持電壓500V,內部集成6 個IGBT 和3 個半橋驅動，同時也集成了半橋驅動的自舉二極管、過壓保護電路、過流保護電路、過溫自動關斷電路。因驅動信號可以直接支持5V 電平，適合MCU 直接驅動控制。
TMPM374
東芝基于ARM Cortex-M3內核的處理器， 最大支持80HMz 的運行頻率，5V 工作電壓，內部集成128K Flash 和6K RAM.MCU 內部同時也提供了上電復位電路(POR)、電壓自動偵測(LVD)、內部可校準的高速RC 振蕩電路、1 路UART/SPI、硬件編碼盤輸入、1 個擁有8 路輸出/輸入比較通道的16 位定時器、12 位分辨率的ADC,最大采樣頻率可達2us@(fADC=40MHz)、可編程馬達控制驅動(PMD)、矢量運算引擎(VE)等豐富外設，可滿足正常的電機驅動運算需求。
TMPM374 用于電機驅動最大的優(yōu)勢在于其內部集成的矢量控制引擎(VE)，該引擎是通過將FOC 運算模塊用硬件的方式集成在芯片中，用戶可不必關心FOC 運算的中間過程，通過直接調用矢量控制引擎(VE)計算得到的數(shù)值即可完成電機控制。
圖 2 矢量控制引擎(VE)結構。
如圖2,可知矢量控制引擎(VE)通過ADC、馬達控制電路(PMD)共同實現(xiàn)馬達的矢量驅動控制。 紅色區(qū)域為速度控制、位置估算，由軟件負責，深藍色區(qū)域為硬件固化，淺藍色區(qū)域為可選，可通過配置設定。
在矢量的運算過程中，矢量控制引擎(VE)將負責以下工作(圖 3)：
1、內置矢量控制執(zhí)行基本處理(坐標軸變換、相位變換、SIN/COS 運算)? 運算處理使用定點形式的數(shù)據(jù)。
2、內置馬達控制電路(PMD)及ADC 轉換器的I/F 處理(輸出控制、觸發(fā)生成、輸入處理)?將定點形式的運算結果轉換成馬達控制電路設定的數(shù)據(jù)形式?同步觸發(fā)動作時序?將A/D 轉換結果轉換成定點形式的數(shù)據(jù)3、內置的電流控制環(huán)的PI 控制(電流控制任務)4、基于PWM 周期的轉速積分的相位插值(SIN/COS 運算任務)5、按照電流、電壓和轉速的最大值作為基準的歸一化值進行運算。
圖 3 VE 控制框圖
矢量控制引擎的工作方式是以任務的組織、管理構成，在VE 中將矢量的運算過程分解為幾個不同的運算任務，通過任務調度來確定當前調度執(zhí)行的任務及其后的任務執(zhí)行順序，同時也提供調度結束后的中斷響應。
在任務調度過程中，任務調度器在整個矢量控制引擎中具有至關重要的作用。
該任務調度器將包含以下功能：
1、任務調度功能，使任務按照軟件規(guī)定的順序順序執(zhí)行;2、待機功能，輸出調度任務執(zhí)行完成后，等待輸入調度任務的執(zhí)行開始;?電流檢測完成后給出ADC 中斷信號，啟動輸入調度。
3、具有中斷功能，輸入調度執(zhí)行完成后產生中斷;4、具有重復功能，輸入調度執(zhí)行后重復進行同一調度;?可進行2 個PWM 周期以上間隔的軟件處理。
表1 為任務調度管理器的演示任務調度過程。
表1 任務調度示例
在系統(tǒng)的軟件設計中根據(jù)UI 要求細分馬達的工作狀態(tài)，按馬達的工作狀態(tài)來劃分可存在5 個工作狀態(tài)，它們分別是：停止(Stop)、定位(Initposition、也稱直流勵磁)、強制運轉(Force)、強制→穩(wěn)定轉換(Change_up)、穩(wěn)定(Steady_A)。
如圖 4.
圖4 馬達控制狀態(tài)轉換。
1、停止(Stop)狀態(tài)：在該狀態(tài)下馬達停止運行，無相電流。
2、定位(Initposition)狀態(tài)： 在該狀態(tài)下電流流經馬達線圈使鐵芯處產生了磁通量，將轉子的位置固定于0 點附近。該位置一旦確定完成后，馬達自動進入下一狀態(tài)。
3、強制運轉(Force)狀態(tài)： 轉子開始啟動并加速。該狀態(tài)下馬達還未處于矢量控制反饋下，而是人為的強制加入旋轉磁場、馬達的轉子受磁力的影響，跟隨該旋轉磁場進行物理旋轉。當旋轉的角速度值達到最低頻率時，馬達進入下一狀態(tài)。
4、強制→穩(wěn)定的切換(Change_up)狀態(tài)：馬達進行從強制運轉切換至穩(wěn)定狀態(tài)的處理。當馬達轉子加速后進入穩(wěn)定的轉速后，進入下一狀態(tài)。
5、穩(wěn)定(Steady_A)狀態(tài)：按照轉子的位置和馬達目標速度進行驅動。
寄存器配置
圖 5 VE、PMD、ADC 的工作時序。
如圖5,啟動馬達前我們需要分別對ADC、VE、PMD 模塊的寄存器進行配置。在ADC 中，需要配置采樣通道、ADC 采樣時鐘、采樣完成后通知VE 響應中斷。為了同步PMD 模塊的PWM 信號，我們需要配置ADC 采樣允許PMD 同步觸發(fā)轉換。這里需要注意的是VE 將空間矢量劃分為6 個60°的扇區(qū)，分別對應ADC 的不同采樣通道，由于我們使用的是3 電阻的采樣方式，因此需要配置觸發(fā)來執(zhí)行輸出。根據(jù)VE 觸發(fā)器的生成任務將VE 扇區(qū)信息(VESECTORn)自動傳送給PMD 程序的觸發(fā)輸出選擇寄存器(VETRGSELn)。
在PMD 中模塊設定中，由于包含了脈寬調制電路、PWM 控制電路、保護控制電路、死區(qū)控制電路，因此相應的軟件需要配置PWM 周期及占空比、PWM模式(三角波或鋸齒波)、PWM 輸出方式、關斷模式、死區(qū)時間、輸出端口極性(High/Low 有效)、保護控制(EMG、OVV)。
在VE 的設定中，需要配置任務調度、d 軸電流環(huán)的PI 積分系數(shù)和比例系數(shù)、q 軸電流環(huán)的PI 積分系數(shù)和比列系數(shù)。
當初始化設置完成后啟動VE,使VE、ADC 和PMD 三方協(xié)作工作。每當VE的輸入調度完成后，將會產生一次VE中斷，通過對中斷的響應刷新任務調度器即可實現(xiàn)電機的控制。
4 總結
基于東芝TX03 系列的變頻方案最大的特點是VE 矢量引擎的硬件化，減少了大量的軟件算法及計算運算時間，極大的提高了處理器的執(zhí)行能力，在滿足電機控制的同時并富有大量的運算結余可以用于其它需求。
在電機磁場控制(FOC)硬件化后，也同樣提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性。
同時由于矢量控制引擎(VE)的模塊化結構，也使得用戶可以自由選擇使用或不使用其部分運算模塊的功能，使繁瑣的電機控制器系統(tǒng)變成通過軟件配置靈活的管理任務調度器
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