基于東芝TX03系列單片機(jī)的矢量控制方案研究

馬蓉

摘 要：直流無(wú)刷電機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了矢量控制階段，但是矢量控制算法本身復(fù)雜度較高，對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)的工作量和難度都提出了挑戰(zhàn)。東芝的TX03系列單片機(jī)帶有矢量引擎協(xié)處理器，故矢量控制過(guò)程中大量的數(shù)學(xué)計(jì)算可由系統(tǒng)自主完成，現(xiàn)闡明了矢量控制直流無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用于家用油煙機(jī)系統(tǒng)的框架、軟件實(shí)現(xiàn)方法、控制性能等，期望可以幫助開(kāi)發(fā)人員解決前述困難，在降低系統(tǒng)資源消耗的同時(shí)，更快速地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)功能和性能要求。

關(guān)鍵詞：直流無(wú)刷電機(jī);單片機(jī);矢量控制;變頻;東芝TX03系列單片機(jī)

0? ? 引言

電機(jī)從誕生發(fā)展至今已有近200年的歷史，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人類(lèi)生產(chǎn)和生活的方方面面，與此同時(shí)，由電機(jī)應(yīng)用帶來(lái)的電能消耗問(wèn)題也日益突出。在我國(guó)，各類(lèi)電機(jī)的總耗電量占據(jù)了年度總發(fā)電量的2/3左右，因此，如何讓電機(jī)應(yīng)用更加節(jié)能環(huán)保，成為科學(xué)研究人員及工程技術(shù)人員近些年來(lái)高度關(guān)注的課題。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，直流無(wú)刷電機(jī)因其能效高、壽命長(zhǎng)、噪聲低等特點(diǎn)，在我國(guó)不斷被擴(kuò)大使用;而半導(dǎo)體技術(shù)近幾十年的飛速發(fā)展，推動(dòng)了直流無(wú)刷電機(jī)的控制技術(shù)從方波驅(qū)動(dòng)、正弦波驅(qū)動(dòng)進(jìn)入到了控制精準(zhǔn)度更高的矢量控制階段。

1? ? 直流無(wú)刷電機(jī)的矢量控制技術(shù)

1.1? ? 直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)

直流無(wú)刷電機(jī)的控制系統(tǒng)由控制電路、逆變電路（含預(yù)驅(qū)動(dòng)器）、直流無(wú)刷電機(jī)、位置傳感器等組成，其中控制電路可以采用專(zhuān)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片或者單片機(jī)加驅(qū)動(dòng)軟件的不同方案。圖1是采用單片機(jī)控制的系統(tǒng)示意圖。其中，如果沒(méi)有位置傳感器，需要無(wú)傳感器控制時(shí)，則要通過(guò)電流檢測(cè)等來(lái)獲取位置情報(bào)。

1.2? ? 矢量控制過(guò)程及實(shí)際應(yīng)用的難點(diǎn)

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)需要旋轉(zhuǎn)力。電流流過(guò)三相線(xiàn)圈，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩（旋轉(zhuǎn)力），而為了保證轉(zhuǎn)子在不同負(fù)載下持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置，控制流過(guò)線(xiàn)圈的電流，也就是必須控制轉(zhuǎn)子產(chǎn)生最適合的轉(zhuǎn)矩。直流無(wú)刷電機(jī)的矢量控制，是把給電機(jī)的電流指令值分解為轉(zhuǎn)矩成分、磁場(chǎng)成分，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子的磁通方向的d軸成分（d軸電流）來(lái)控制磁場(chǎng)，通過(guò)控制與它垂直的q軸成分（q軸電流）來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

對(duì)于轉(zhuǎn)矩來(lái)說(shuō)，d軸電流沒(méi)有貢獻(xiàn)，對(duì)于外側(cè)配置有永磁體的直流無(wú)刷電機(jī)，一般采用保持d軸電流Id為0的控制，可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)更小的電流和更高的效率。

直流無(wú)刷電機(jī)矢量控制的基本流程如圖2所示，其中：

①電流控制，是由電流指令值（Idref、Iqref）和實(shí)際電流值（Id、Iq）算出輸出電壓（Vd、Vq）。

②反坐標(biāo)變換，又稱(chēng)反Park變換，是從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（Vd、Vq）變換為靜止坐標(biāo)（Vα、Vβ）。

③相變換（兩相→三相），又稱(chēng)反Clark變換，是從靜止坐標(biāo)值（Vα、Vβ）變換為三相電壓值（Vu、Vv、Vw）。

④三相PWM輸出。

⑤電流檢測(cè)，是從模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)定分流電阻的電壓變換為三相的電流值（Iu、Iv、Iw）。

⑥相變換又稱(chēng)Clark變換，是把三相電流值（Iu、Iv、Iw）坐標(biāo)變換為兩相電流值（Iα、Iβ）。

⑦坐標(biāo)變換又稱(chēng)Park變換，是把兩相電流值（Iα、Iβ）變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)值（Iq、Id）。

⑧位置檢測(cè)，是要計(jì)算出馬達(dá)速度（ω）和馬達(dá)位置（θ）。

⑨速度控制，由目標(biāo)速度（ωref）和實(shí)際速度（ω）算出電流指令值（Idref、Iqref）。

可以看到，上述整個(gè)控制過(guò)程需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算和處理，導(dǎo)致單片機(jī)程序的復(fù)雜度較高，同時(shí)單片機(jī)CPU的資源也會(huì)一直被占用，開(kāi)發(fā)人員的工作量及系統(tǒng)的消耗都是比較大的。解決這些問(wèn)題，將會(huì)幫助直流無(wú)刷電機(jī)獲得更好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

2? ? 東芝TX03系列單片機(jī)控制直流無(wú)刷電機(jī)

2.1? ? 東芝TX03系列單片機(jī)

東芝TX03系列單片機(jī)是東芝基于ARM[R]Cortex[R] -M3內(nèi)核的32位單片機(jī)產(chǎn)品，其中的M370組是專(zhuān)門(mén)針對(duì)民用級(jí)電機(jī)控制應(yīng)用而推出的，除了采用高性能的ARM[R] 內(nèi)核，它突出的特點(diǎn)是搭載了東芝自有設(shè)計(jì)的矢量引擎（Vector Engine，簡(jiǎn)稱(chēng)VE）。

M370組的矢量控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中②是矢量引擎處理的部分，可以看到矢量控制過(guò)程中諸如坐標(biāo)變換、相變換、sin/cos計(jì)算處理、電流PI參數(shù)控制等需要進(jìn)行大量計(jì)算的部分均交由類(lèi)似協(xié)處理器的矢量引擎來(lái)完成，從而單片機(jī)的中央處理器等資源就可以被釋放出來(lái)滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)者希望的其他處理需求，使得在其他硬件資源同等的情況下，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更高的處理速度或更豐富的用戶(hù)功能。同時(shí)，對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，只需進(jìn)行相應(yīng)的寄存器設(shè)置和少量的編程，不再需要特別為此部分編寫(xiě)復(fù)雜的軟件代碼，大大減小了開(kāi)發(fā)和維護(hù)的工作量，也降低了系統(tǒng)軟件出錯(cuò)的概率。

圖3中①的部分即速度控制、位置估算的部分則為開(kāi)發(fā)者軟件，這樣，可以給予開(kāi)發(fā)者自由度和靈活性，保證開(kāi)發(fā)者的自有算法可以實(shí)現(xiàn)。

2.2? ? 直流無(wú)刷電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)

直流無(wú)刷電機(jī)如今已經(jīng)應(yīng)用到各類(lèi)型的工業(yè)、家用設(shè)備中。近年來(lái)，伴隨國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和住宅水平的提高，廚房電器產(chǎn)品也在不斷向高級(jí)、低功耗、靜音方向發(fā)展。其中，家用油煙機(jī)產(chǎn)品近五六年內(nèi)在市場(chǎng)上也逐漸出現(xiàn)了采用直流無(wú)刷電機(jī)的案例。雖然目前市場(chǎng)產(chǎn)品的主流仍然采用交流電機(jī)，但采用了直流無(wú)刷電機(jī)的產(chǎn)品因其噪聲更小、吸力更強(qiáng)、更加省電以及可以真正實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等特點(diǎn)正被更多的制造商、設(shè)計(jì)商所關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)家用油煙機(jī)產(chǎn)品的主流發(fā)展方向。

下面以家用油煙機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)為應(yīng)用案例，闡述基于東芝TX03系列單片機(jī)的矢量控制的具體實(shí)現(xiàn)方法。