基于東芝TX03系列單片機的矢量控制方案研究

馬蓉

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

關鍵詞：直流無刷電機;單片機;矢量控制;變頻;東芝TX03系列單片機

0? ? 引言

電機從誕生發(fā)展至今已有近200年的歷史，現(xiàn)已廣泛應用于人類生產和生活的方方面面，與此同時，由電機應用帶來的電能消耗問題也日益突出。在我國，各類電機的總耗電量占據(jù)了年度總發(fā)電量的2/3左右，因此，如何讓電機應用更加節(jié)能環(huán)保，成為科學研究人員及工程技術人員近些年來高度關注的課題。進入21世紀以來，直流無刷電機因其能效高、壽命長、噪聲低等特點，在我國不斷被擴大使用;而半導體技術近幾十年的飛速發(fā)展，推動了直流無刷電機的控制技術從方波驅動、正弦波驅動進入到了控制精準度更高的矢量控制階段。

1? ? 直流無刷電機的矢量控制技術

1.1? ? 直流無刷電機的控制系統(tǒng)

直流無刷電機的控制系統(tǒng)由控制電路、逆變電路（含預驅動器）、直流無刷電機、位置傳感器等組成，其中控制電路可以采用專用的電機驅動芯片或者單片機加驅動軟件的不同方案。圖1是采用單片機控制的系統(tǒng)示意圖。其中，如果沒有位置傳感器，需要無傳感器控制時，則要通過電流檢測等來獲取位置情報。

1.2? ? 矢量控制過程及實際應用的難點

電機的旋轉需要旋轉力。電流流過三相線圈，轉子產生轉矩（旋轉力），而為了保證轉子在不同負載下持續(xù)轉動，必須檢測出轉子的位置，控制流過線圈的電流，也就是必須控制轉子產生最適合的轉矩。直流無刷電機的矢量控制，是把給電機的電流指令值分解為轉矩成分、磁場成分，通過控制轉子的磁通方向的d軸成分（d軸電流）來控制磁場，通過控制與它垂直的q軸成分（q軸電流）來控制電機轉矩。

對于轉矩來說，d軸電流沒有貢獻，對于外側配置有永磁體的直流無刷電機，一般采用保持d軸電流Id為0的控制，可以使電機轉動實現(xiàn)更小的電流和更高的效率。

直流無刷電機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）和實際電流值（Id、Iq）算出輸出電壓（Vd、Vq）。

②反坐標變換，又稱反Park變換，是從旋轉坐標（Vd、Vq）變換為靜止坐標（Vα、Vβ）。

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

④三相PWM輸出。

⑤電流檢測，是從模擬數(shù)字轉換器測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Clark變換，是把三相電流值（Iu、Iv、Iw）坐標變換為兩相電流值（Iα、Iβ）。

⑦坐標變換又稱Park變換，是把兩相電流值（Iα、Iβ）變換為旋轉坐標值（Iq、Id）。

⑧位置檢測，是要計算出馬達速度（ω）和馬達位置（θ）。

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

可以看到，上述整個控制過程需要進行大量的數(shù)學運算和處理，導致單片機程序的復雜度較高，同時單片機CPU的資源也會一直被占用，開發(fā)人員的工作量及系統(tǒng)的消耗都是比較大的。解決這些問題，將會幫助直流無刷電機獲得更好的應用基礎。

2? ? 東芝TX03系列單片機控制直流無刷電機

2.1? ? 東芝TX03系列單片機

東芝TX03系列單片機是東芝基于ARM[R]Cortex[R] -M3內核的32位單片機產品，其中的M370組是專門針對民用級電機控制應用而推出的，除了采用高性能的ARM[R] 內核，它突出的特點是搭載了東芝自有設計的矢量引擎（Vector Engine，簡稱VE）。

M370組的矢量控制結構如圖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程中諸如坐標變換、相變換、sin/cos計算處理、電流PI參數(shù)控制等需要進行大量計算的部分均交由類似協(xié)處理器的矢量引擎來完成，從而單片機的中央處理器等資源就可以被釋放出來滿足開發(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，單片機可以實現(xiàn)更高的處理速度或更豐富的用戶功能。同時，對于開發(fā)者來說，只需進行相應的寄存器設置和少量的編程，不再需要特別為此部分編寫復雜的軟件代碼，大大減小了開發(fā)和維護的工作量，也降低了系統(tǒng)軟件出錯的概率。

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

2.2? ? 直流無刷電機控制的實現(xiàn)

直流無刷電機如今已經(jīng)應用到各類型的工業(yè)、家用設備中。近年來，伴隨國內經(jīng)濟的發(fā)展和住宅水平的提高，廚房電器產品也在不斷向高級、低功耗、靜音方向發(fā)展。其中，家用油煙機產品近五六年內在市場上也逐漸出現(xiàn)了采用直流無刷電機的案例。雖然目前市場產品的主流仍然采用交流電機，但采用了直流無刷電機的產品因其噪聲更小、吸力更強、更加省電以及可以真正實現(xiàn)無級調速等特點正被更多的制造商、設計商所關注，被認為是未來家用油煙機產品的主流發(fā)展方向。

下面以家用油煙機直流無刷電機為應用案例，闡述基于東芝TX03系列單片機的矢量控制的具體實現(xiàn)方法。