摘要：为了呼应绿色环保，节省能耗，下降噪音，直流变频调速开展越来越遍及，调速的功用也不断地进步。矢量操控理论通过几十年的开展，技能也比较老练。为此东芝开发了依据ARM Cortex—M3内核的M370系列微处理器，该系列微处理器首要用于电机操控，内置了硬件矢量引擎VE，矢量操控算法由硬件完结。东芝TMPM374作为主操控器，和东芝IPD功率驱动模块及电流采样模块，构成了无方位传感器的无刷直流电机变频驱动操控计划。该计划使用微处理器内置的硬件矢量引擎VE，减少了软件工作量，软硬件奇妙的合作，输出三相正弦波来操控电机，使整个操控体系本钱低，能耗低，噪音低，在家电变频操控范畴得到了广泛使用。
关键词：伺服操控，空间矢量操控，矢量引擎(VE)，ARM内核Cortex—M3，东芝TMPM374，无刷直流
1 导言
由于无刷直流电机结构简略、能耗低、易于维护，选用无方位传感器操控办法，下降了本钱，因而越来越遭到我们的喜爱。东芝长时刻从事变频技能的研制，在TMPM370系列微处理器中规划了一起的内置硬件矢量引擎(VE)，矢量操控各种算法和数据传递通过硬件完结，减少了软件工作量。参阅该解决计划，用户缩短了开发周期，变频产品也安稳可
靠。因而被使用于变频空调、洗衣机、冰箱、空气新鲜器和直流电扇等变频家电范畴。
2 矢量操控
电机矢量操控方框图如图1所示，方位、速度、电流构成三闭环操控体系，最内环是电流环，直接影响体系的呼应速度，接下来是速度和方位环，均选用PI操控办法，其间速度操控和转子方位预算由软件完结，电流操控由内置的硬件矢量引擎VE完结。硬件矢量引擎VE完结矢量操控算法，减少了软件处理工作，也能够依据需求灵敏挑选各处理使命。用户只需依据不同电机，调整一套适宜的PI操控参数，电机就能到达很好的操控效果。
2.1 相电流检测
电机相电流选用串联分流电阻丈量反电势的查验办法。三电阻检测的办法如图2所示，电流IU、IV、IW能够依据分流电阻Rx、Ry、Rz的电流Ix、Iy、Iz核算，核算公式如下表1所示。
2. 2 UVW/αβ改换(Clarke改换)
矢量由从三相中止坐标系(UVW)改换到两相中止坐标系(αβ)，叫Clarke改换。给三相U、V、W线圈参加电流IU、IV、IW发生的磁场和给两相α、β线圈参加电流Iα、Iβ发生的磁场相同，IU、IV、IW和Iα、Iβ它们之间的联系依据以下公式核算，留意U与α方向相同。
Iu+Iv+Iw=0 Iα=Iu Iβ=(Iu+2Iv)/√3
2.3 αβ/dq改换(Park改换)
矢量由两相中止坐标系变到两相旋转坐标系的改换，称为Park改换。给d、q线圈参加电流Id、Iq发生的磁场和给α、β线圈参加电流Iα、Iβ发生的磁场相同，Id、Iq和Iα、Iβ它们之间的联系能够依据以下公式核算：
Id=cosθ×Iα+sinθ×Iβ Iq=-sinθ×Iα+cosθ×Iβ
2.4 dq/αβ改换(Park逆改换)
矢量由两相旋转坐标系变到两相中止坐标系的改换，称为Park逆改换。便是αβ/dq改换的逆改变，能够依据以下公式核算：
Vα=cosθ×Vd-sinθ×VαVβ=sinθ×Vd+cosθ×Vq
2. 5 αβ/UVW改换(Clarke逆改换)
矢量由两相中止坐标系αβ改换到三相中止坐标系(UVW)，叫Clarke逆改换。便是UVW/αβ改换的逆改变，能够依据以下公式核算：
Iu=Vα Iv=-Vα√2+√3 Vβ/2 Iw=-Vα√2-√3 Vβ/2
2.6 正弦波发生
在一个PWM周期里，上桥u、v、w和下桥x、y、z的开关有8种组合状况。除0矢量(000和111)之外，6种电压矢量V1～V6都会发生磁场。恣意的电压矢量V都能够看作是两个相邻电压矢量的组成，当上桥功率管注册时，其下桥相对的功率管将被封闭。1表明为上桥(u、v、w)注册，下桥(x、y、z)为封闭，0表明为上桥(u、v、w)封闭，下桥(x、v、z)为注册。
例如：在扇区1上，Vα和Vβ的组成矢量V，也是电压矢量V1’和V2’的组成矢量，空间矢量V1与V2效果时刻为t1和t2，还有0矢量效果时刻t3。在半个PWM周期T内扇区1的t1、t2、t3的核算公式如下：
Vα=2/3×(V1’+V2’xcos60°)
Vβ=2/3×(V2’xsin60°)
从上两式能够得出：
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
因而：
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三相的翻开时刻(半个PWM周期T)，假定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
同理也能够核算在其它扇区的翻开时刻。空间矢量运算U、V、W端发生电压波形如图6所示。(假定Vd=0)。
3 体系硬件规划
选用东芝TMPM374芯片作为主控芯片，内置矢量引擎VE、电机驱动电路PMD和AD转化模块相结合，一起完结了无刷直流电机矢量操控。东芝功率驱动模块IPD4144发生高压驱动波形，该模块内置过流、欠压确定，过温监控功用，假如进入维护状况，模块U、V、W，X、Y、Z六相均处于封闭状况。它具有硬件EMG过流维护，软件过流维护，过压、欠压维护，失步，缺持平维护功用。体系操控框图如图7所示。
3.1 相电流反应检测
电流反应检测由分流电阻、运算扩大器和A/D转化部分组成。由于电流信号较弱，需通过扩大器进行扩大处理，再送到MCU的A/D转化接口，原理图如8和9所示。
3.2 维护电路
硬件EMG过流维护，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将发生硬件EMG中止，封闭一切输出，电路原理图如图10和图11所示。假如体系中呈现过、欠压状况，体系能够通过过欠压检测信号输入到A/D转化模块，通过软件处理。电路原理图如图12所示。
4 体系软件规划
马达操控流程如图13所示：
电机操控包含中止、定位、强制工作、强制一安稳切换、安稳五个阶段。电机从发动到安稳工作，需求顺次通过各阶段。在每个阶段，进行相应的操控。定位阶段也称直流励磁阶段，电流流过线圈使铁芯处发生磁通量，转子的方位固定在0点邻近;强制工作阶段，转子开端滚动。该阶段无反应处理，而是强制地参加旋转磁场，转子跟从该旋转磁场进行滚动。当速度到达一个最低频率时，进入下一阶段;强制→安稳切换阶段进行从强制工作切换至安稳状况的处理。电机合作转子的方位进行滚动。安稳阶段，电机依照转子方位和方针速度进行滚动。
5 试验测验成果
使用上述空间矢量操控理论，在硬件电路的基础上，软件编程操控电机发动和运转两个试验成果如图14图和15所示。试验电机参数如下：输入电压220V，电感90mH，电阻53.5ohm，极对数：4极。成果表明电机速度呼应时刻，电流巨细，运转安稳性，牢靠性，均满意体系测验要求，己使用于许多家电制造厂商。
结束语
使用东芝内置的硬件矢量引擎，减少了软件工作量，加速运转速度，完结电机正弦波驱动，运转平稳，静音，发动牢靠等功用指标。
