基于东芝TMPM374微处理器无刷直流电机变频控制

时间：2022-03-15来源：佚名

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。

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，最内环是电流环，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