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基于东芝TMPM374微处理器无刷直流电机变频控制

作者:时间:2016-10-10来源:网络收藏

摘要: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,矢量控制算法由硬件实现。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电机变频驱动控制方案。该方案利用微处理器内置的硬件,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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201610/306620.htm

关键词:,矢量引擎(VE),ARM内核Cortex—M3,

1 引言

由于电机结构简单、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。

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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。

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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

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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。

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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)。

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3 系统硬件设计

选用芯片作为主控芯片,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。

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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。

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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。

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4 系统软件设计

马达控制流程如图13所示:

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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。当速度达到一个最低频率时,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。



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