以傳統(tǒng)開關(guān)控制的電機(jī)驅(qū)動方式消耗了全球近40%的電力，針對電機(jī)驅(qū)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(guān)注，國家新公布的"節(jié)能產(chǎn)品惠民工程"再一次將空調(diào)、洗衣機(jī)、家用電冰箱列為補(bǔ)貼對象。基于變頻方式的電機(jī)驅(qū)動控制盡管可有效的提高能效比，但復(fù)雜的設(shè)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(fù)雜的運(yùn)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(dǎo)體最新基于ARM Cortex-M3 內(nèi)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(qū)動器模塊(IPD)可協(xié)助設(shè)計人員克服上述問題。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖1 冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖。

　　TMPM374 是東芝基于Cortex-M3 內(nèi)核處理器TX03 家族系列的產(chǎn)品，在該系列中處理器內(nèi)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(jī)復(fù)雜的矢量運(yùn)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(jī)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(nèi)部集成6 個IGBT 和3 個半橋驅(qū)動，同時也集成了半橋驅(qū)動的自舉二極管、過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、過溫自動關(guān)斷電路。因驅(qū)動信號可以直接支持5V 電平，適合MCU 直接驅(qū)動控制。

　　TMPM374

　　東芝基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器， 最大支持80HMz 的運(yùn)行頻率，5V 工作電壓，內(nèi)部集成128K Flash 和6K RAM.MCU 內(nèi)部同時也提供了上電復(fù)位電路(POR)、電壓自動偵測(LVD)、內(nèi)部可校準(zhǔn)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(dá)2us@(fADC=40MHz)、可編程馬達(dá)控制驅(qū)動(PMD)、矢量運(yùn)算引擎(VE)等豐富外設(shè)，可滿足正常的電機(jī)驅(qū)動運(yùn)算需求。

　　TMPM374 用于電機(jī)驅(qū)動最大的優(yōu)勢在于其內(nèi)部集成的矢量控制引擎(VE)，該引擎是通過將FOC 運(yùn)算模塊用硬件的方式集成在芯片中，用戶可不必關(guān)心FOC 運(yùn)算的中間過程，通過直接調(diào)用矢量控制引擎(VE)計算得到的數(shù)值即可完成電機(jī)控制。

　　圖 2 矢量控制引擎(VE)結(jié)構(gòu)。

　　如圖2,可知矢量控制引擎(VE)通過ADC、馬達(dá)控制電路(PMD)共同實現(xiàn)馬達(dá)的矢量驅(qū)動控制。 紅色區(qū)域為速度控制、位置估算，由軟件負(fù)責(zé)，深藍(lán)色區(qū)域為硬件固化，淺藍(lán)色區(qū)域為可選，可通過配置設(shè)定。

　　在矢量的運(yùn)算過程中，矢量控制引擎(VE)將負(fù)責(zé)以下工作(圖 3)：

　　1、內(nèi)置矢量控制執(zhí)行基本處理(坐標(biāo)軸變換、相位變換、SIN/COS 運(yùn)算)? 運(yùn)算處理使用定點形式的數(shù)據(jù)。

　　2、內(nèi)置馬達(dá)控制電路(PMD)及ADC 轉(zhuǎn)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(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成馬達(dá)控制電路設(shè)定的數(shù)據(jù)形式?同步觸發(fā)動作時序?將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換成定點形式的數(shù)據(jù)3、內(nèi)置的電流控制環(huán)的PI 控制(電流控制任務(wù))4、基于PWM 周期的轉(zhuǎn)速積分的相位插值(SIN/COS 運(yùn)算任務(wù))5、按照電流、電壓和轉(zhuǎn)速的最大值作為基準(zhǔn)的歸一化值進(jìn)行運(yùn)算。

　　圖 3 VE 控制框圖

　　矢量控制引擎的工作方式是以任務(wù)的組織、管理構(gòu)成，在VE 中將矢量的運(yùn)算過程分解為幾個不同的運(yùn)算任務(wù)，通過任務(wù)調(diào)度來確定當(dāng)前調(diào)度執(zhí)行的任務(wù)及其后的任務(wù)執(zhí)行順序，同時也提供調(diào)度結(jié)束后的中斷響應(yīng)。

　　在任務(wù)調(diào)度過程中，任務(wù)調(diào)度器在整個矢量控制引擎中具有至關(guān)重要的作用。

　　該任務(wù)調(diào)度器將包含以下功能：

　　1、任務(wù)調(diào)度功能，使任務(wù)按照軟件規(guī)定的順序順序執(zhí)行;2、待機(jī)功能，輸出調(diào)度任務(wù)執(zhí)行完成后，等待輸入調(diào)度任務(wù)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(diào)度。

　　3、具有中斷功能，輸入調(diào)度執(zhí)行完成后產(chǎn)生中斷;4、具有重復(fù)功能，輸入調(diào)度執(zhí)行后重復(fù)進(jìn)行同一調(diào)度;?可進(jìn)行2 個PWM 周期以上間隔的軟件處理。

　　表1 為任務(wù)調(diào)度管理器的演示任務(wù)調(diào)度過程。

　　表1 任務(wù)調(diào)度示例

3 軟件設(shè)計

　　在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中根據(jù)UI 要求細(xì)分馬達(dá)的工作狀態(tài)，按馬達(dá)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(qiáng)制運(yùn)轉(zhuǎn)(Force)、強(qiáng)制→穩(wěn)定轉(zhuǎn)換(Change_up)、穩(wěn)定(Steady_A)。

　　如圖 4.

　　圖4 馬達(dá)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

　　1、停止(Stop)狀態(tài)：在該狀態(tài)下馬達(dá)停止運(yùn)行，無相電流。

　　2、定位(Initposition)狀態(tài)： 在該狀態(tài)下電流流經(jīng)馬達(dá)線圈使鐵芯處產(chǎn)生了磁通量，將轉(zhuǎn)子的位置固定于0 點附近。該位置一旦確定完成后，馬達(dá)自動進(jìn)入下一狀態(tài)。

　　3、強(qiáng)制運(yùn)轉(zhuǎn)(Force)狀態(tài)： 轉(zhuǎn)子開始啟動并加速。該狀態(tài)下馬達(dá)還未處于矢量控制反饋下，而是人為的強(qiáng)制加入旋轉(zhuǎn)磁場、馬達(dá)的轉(zhuǎn)子受磁力的影響，跟隨該旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行物理旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的角速度值達(dá)到最低頻率時，馬達(dá)進(jìn)入下一狀態(tài)。

　　4、強(qiáng)制→穩(wěn)定的切換(Change_up)狀態(tài)：馬達(dá)進(jìn)行從強(qiáng)制運(yùn)轉(zhuǎn)切換至穩(wěn)定狀態(tài)的處理。當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子加速后進(jìn)入穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速后，進(jìn)入下一狀態(tài)。

　　5、穩(wěn)定(Steady_A)狀態(tài)：按照轉(zhuǎn)子的位置和馬達(dá)目標(biāo)速度進(jìn)行驅(qū)動。

　　寄存器配置

　　圖 5 VE、PMD、ADC 的工作時序。

　　如圖5,啟動馬達(dá)前我們需要分別對ADC、VE、PMD 模塊的寄存器進(jìn)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(wù)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(shè)定中，由于包含了脈寬調(diào)制電路、PWM 控制電路、保護(hù)控制電路、死區(qū)控制電路，因此相應(yīng)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(guān)斷模式、死區(qū)時間、輸出端口極性(High/Low 有效)、保護(hù)控制(EMG、OVV)。

　　在VE 的設(shè)定中，需要配置任務(wù)調(diào)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(dāng)初始化設(shè)置完成后啟動VE,使VE、ADC 和PMD 三方協(xié)作工作。每當(dāng)VE的輸入調(diào)度完成后，將會產(chǎn)生一次VE中斷，通過對中斷的響應(yīng)刷新任務(wù)調(diào)度器即可實現(xiàn)電機(jī)的控制。

　　4 總結(jié)

　　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(yùn)算時間，極大的提高了處理器的執(zhí)行能力，在滿足電機(jī)控制的同時并富有大量的運(yùn)算結(jié)余可以用于其它需求。

　　在電機(jī)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(jié)構(gòu)，也使得用戶可以自由選擇使用或不使用其部分運(yùn)算模塊的功能，使繁瑣的電機(jī)控制器系統(tǒng)變成通過軟件配置靈活的管理任務(wù)調(diào)度器

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