基于东芝TMPM374微处理器无刷直流电机变频控制

caroline11

为了响应绿色环保，节约能耗，降低噪音，直流变频调速发展越来越普及，调速的性能也不断地提高。矢量控制理论经过几十年的发展，技术也比较成熟。为此东芝开发了基于ARM Cortex—M3内核的M370系列微处理器，该系列微处理器主要用于电机控制，内置了硬件矢量引擎VE，矢量控制算法由硬件实现。东芝TMPM374作为主控制器，和东芝IPD功率驱动模块及电流采样模块，构成了无位置传感器的无刷直流电机变频驱动控制方案。该方案利用微处理器内置的硬件矢量引擎VE，减少了软件工作量，软硬件巧妙的配合，输出三相正弦波来控制电机，使整个控制系统成本低，能耗低，噪音低，在家电变频控制领域得到了广泛应用。

关键词：伺服控制，空间矢量控制，矢量引擎(VE)，ARM内核Cortex—M3，东芝TMPM374，无刷直流

1 引言
由于无刷直流电机结构简单、能耗低、易于维护，采用无位置传感器控制方式，降低了成本，因此越来越受到大家的青睐。东芝长期从事变频技术的研发，在TMPM370系列微处理器中设计了独特的内置硬件矢量引擎(VE)，矢量控制各种算法和数据传递通过硬件实现，减少了软件工作量。参考该解决方案，用户缩短了开发周期，变频产品也稳定可靠。因此被应用于变频空调、洗衣机、冰箱、空气清新器和直流风扇等变频家电领域。

2 矢量控制
电机矢量控制方框图如图1所示，位置、速度、电流构成三闭环控制系统，内环是电流环，直接影响系统的响应速度，接下来是速度和位置环，均采用PI控制方法，其中速度控制和转子位置估算由软件实现，电流控制由内置的硬件矢量引擎VE实现。硬件矢量引擎VE完成矢量控制算法，减少了软件处理工作，也可以根据需要灵活选择各处理任务。用户只需根据不同电机，调整一套合适的PI控制参数，电机就能达到很好的控制效果。

2.1 相电流检测
电机相电流采用串联分流电阻测量反电势的检验方法。三电阻检测的方式如图2所示，电流IU、IV、IW可以根据分流电阻Rx、Ry、Rz的电流Ix、Iy、Iz计算，计算公式如下表1所示。

  

2. 2 UVW/αβ变换(Clarke变换)
矢量由从三相静止坐标系(UVW)变换到两相静止坐标系(αβ)，叫Clarke变换。给三相U、V、W线圈加入电流IU、IV、IW产生的磁场和给两相α、β线圈加入电流Iα、Iβ产生的磁场相同，IU、IV、IW和Iα、Iβ它们之间的关系根据以下公式计算，注意U与α方向相同。

Iu+Iv+Iw=0 Iα=Iu Iβ=(Iu+2Iv)/√3

                                                               
2.3 αβ/dq变换(Park变换)
矢量由两相静止坐标系变到两相旋转坐标系的变换，称为Park变换。给d、q线圈加入电流Id、Iq产生的磁场和给α、β线圈加入电流Iα、Iβ产生的磁场相同，Id、Iq和Iα、Iβ它们之间的关系可以根据以下公式计算：
Id=cosθ×Iα+sinθ×Iβ Iq=-sinθ×Iα+cosθ×Iβ

2.4 dq/αβ变换(Park逆变换)
矢量由两相旋转坐标系变到两相静止坐标系的变换，称为Park逆变换。即是αβ/dq变换的逆变化，可以根据以下公式计算：
Vα=cosθ×Vd-sinθ×VαVβ=sinθ×Vd+cosθ×Vq

2. 5 αβ/UVW变换(Clarke逆变换)
矢量由两相静止坐标系αβ变换到三相静止坐标系(UVW)，叫Clarke逆变换。即是UVW/αβ变换的逆变化，可以根据以下公式计算：
Iu=Vα Iv=-Vα√2+√3 Vβ/2 Iw=-Vα√2-√3 Vβ/2

2.6 正弦波产生
在一个PWM周期里，上桥u、v、w和下桥x、y、z的开关有8种组合状态。除0矢量(000和111)之外，6种电压矢量V1～V6都会产生磁场。任意的电压矢量V都可以看作是两个相邻电压矢量的合成，当上桥功率管开通时，其下桥相对的功率管将被关闭。1表示为上桥(u、v、w)开通，下桥(x、y、z)为关闭，0表示为上桥(u、v、w)关闭，下桥(x、v、z)为开通。

  
例如：在扇区1上，Vα和Vβ的合成矢量V，也是电压矢量V1’和V2’的合成矢量，空间矢量V1与V2作用时间为t1和t2，还有0矢量作用时间t3。在半个PWM周期T内扇区1的t1、t2、t3的计算公式如下：
Vα=2/3×(V1’+V2’xcos60°)
Vβ=2/3×(V2’xsin60°)
从上两式可以得出：
V1’=3/2×Vα-√3/2×Vβ
V2’=√3×Vβ
设DC电压为Vdc，半个周期PWM为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
设tU、tV、tW：u、v、w三相的打开时间(半个PWM周期T)，假设Vd=0，则
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
同理也可以计算在其它扇区的打开时间。空间矢量运算U、V、W端产生电压波形如图6所示。(假设Vd=0)。

3 系统硬件设计
选用东芝TMPM374芯片作为主控芯片，内置矢量引擎VE、电机驱动电路PMD和AD转换模块相结合，共同实现了无刷直流电机矢量控制。东芝功率驱动模块IPD4144产生高压驱动波形，该模块内置过流、欠压锁定，过温监控功能，如果进入保护状态，模块U、V、W，X、Y、Z六相均处于关闭状态。它具有硬件EMG过流保护，软件过流保护，过压、欠压保护，失步，缺相等保护功能。系统控制框图如图7所示。

3.1 相电流反馈检测
电流反馈检测由分流电阻、运算放大器和A/D转换部分组成。因为电流信号较弱，需经过放大器进行放大处理，再送到MCU的A/D转换接口，原理图如8和9所示。

3.2 保护电路
硬件EMG过流保护，当电流过大时，IPD功率驱动模块输出EMG信号，此信号输入到MCU的EMG管脚，MCU将产生硬件EMG中断，关闭所有输出，电路原理图如图10和图11所示。如果系统中出现过、欠压情况，系统可以通过过欠压检测信号输入到A/D转换模块，通过软件处理。电路原理图如图12所示。

4 系统软件设计
马达控制流程如图13所示：

  

电机控制包括停止、定位、强制运转、强制一稳定切换、稳定五个阶段。电机从启动到稳定运转，需要依次经过各阶段。在每个阶段，进行相应的控制。定位阶段也称直流励磁阶段，电流流过线圈使铁芯处产生磁通量，转子的位置固定在0点附近;强制运转阶段，转子开始转动。该阶段无反馈处理，而是强制地加入旋转磁场，转子跟随该旋转磁场进行转动。当速度达到一个频率时，进入下一阶段;强制→稳定切换阶段进行从强制运转切换至稳定状态的处理。电机配合转子的位置进行转动。稳定阶段，电机按照转子位置和目标速度进行转动。

5 实验测试结果
应用上述空间矢量控制理论，在硬件电路的基础上，软件编程控制电机启动和运行两个实验结果如图14图和15所示。实验电机参数如下：输入电压220V，电感90mH，电阻53.5ohm，极对数：4极。结果表明电机速度响应时间，电流大小，运行稳定性，可靠性，均满足系统测试要求，己应用于很多家电制造厂商。

结束语
利用东芝内置的硬件矢量引擎，减少了软件工作量，加快运行速度，实现电机正弦波驱动，运行平稳，静音，启动可靠等性能指标。