基于TMPM374和IPD的變頻冰箱參考方案

　　以傳統開(kāi)關(guān)控制的電機驅動(dòng)方式消耗了全球近40%的電力，針對電機驅動(dòng)效率的改善要求在現今全球化的節能浪潮下也越來(lái)越受到眾多關(guān)注，國家新公布的"節能產(chǎn)品惠民工程"再一次將空調、洗衣機、家用電冰箱列為補貼對象?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/變頻">變頻方式的電機驅動(dòng)控制盡管可有效的提高能效比，但復雜的設計卻是開(kāi)發(fā)人員必須面對的一個(gè)不小挑戰，而且為了輔助復雜的運算，此類(lèi)方案多會(huì )使用一些昂貴的處理器，如數字信號控制器。東芝半導體最新基于ARM Cortex-M3 內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動(dòng)器模塊(IPD)可協(xié)助設計人員克服上述問(wèn)題。

　　2 系統結構

　　圖1 冰箱系統結構框圖。

　　如圖1 展示的就是一個(gè)基于東芝TMPM374 和IPD TPD4135K 的冰箱控制系統結構框圖。

　　TMPM374 是東芝基于Cortex-M3 內核處理器TX03 家族系列的產(chǎn)品，在該系列中處理器內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的電機復雜的矢量運算通過(guò)硬件替換，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)難度，它的使用極大提高了電機控制系統的穩定及高效。

　　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,內部集成6 個(gè)IGBT 和3 個(gè)半橋驅動(dòng)，同時(shí)也集成了半橋驅動(dòng)的自舉二極管、過(guò)壓保護電路、過(guò)流保護電路、過(guò)溫自動(dòng)關(guān)斷電路。因驅動(dòng)信號可以直接支持5V 電平，適合MCU 直接驅動(dòng)控制。

　　TMPM374

　　東芝基于A(yíng)RM Cortex-M3內核的處理器， 最大支持80HMz 的運行頻率，5V 工作電壓，內部集成128K Flash 和6K RAM.MCU 內部同時(shí)也提供了上電復位電路(POR)、電壓自動(dòng)偵測(LVD)、內部可校準的高速RC 振蕩電路、1 路UART/SPI、硬件編碼盤(pán)輸入、1 個(gè)擁有8 路輸出/輸入比較通道的16 位定時(shí)器、12 位分辨率的ADC,最大采樣頻率可達2us@(fADC=40MHz)、可編程馬達控制驅動(dòng)(PMD)、矢量運算引擎(VE)等豐富外設，可滿(mǎn)足正常的電機驅動(dòng)運算需求。

　　TMPM374 用于電機驅動(dòng)最大的優(yōu)勢在于其內部集成的矢量控制引擎(VE)，該引擎是通過(guò)將FOC 運算模塊用硬件的方式集成在芯片中，用戶(hù)可不必關(guān)心FOC 運算的中間過(guò)程，通過(guò)直接調用矢量控制引擎(VE)計算得到的數值即可完成電機控制。

　　圖 2 矢量控制引擎(VE)結構。

　　如圖2,可知矢量控制引擎(VE)通過(guò)ADC、馬達控制電路(PMD)共同實(shí)現馬達的矢量驅動(dòng)控制。 紅色區域為速度控制、位置估算，由軟件負責，深藍色區域為硬件固化，淺藍色區域為可選，可通過(guò)配置設定。

　　在矢量的運算過(guò)程中，矢量控制引擎(VE)將負責以下工作(圖 3)：

　　1、內置矢量控制執行基本處理(坐標軸變換、相位變換、SIN/COS 運算)? 運算處理使用定點(diǎn)形式的數據。

　　2、內置馬達控制電路(PMD)及ADC 轉換器的I/F 處理(輸出控制、觸發(fā)生成、輸入處理)?將定點(diǎn)形式的運算結果轉換成馬達控制電路設定的數據形式?同步觸發(fā)動(dòng)作時(shí)序?將A/D 轉換結果轉換成定點(diǎn)形式的數據3、內置的電流控制環(huán)的PI 控制(電流控制任務(wù))4、基于PWM 周期的轉速積分的相位插值(SIN/COS 運算任務(wù))5、按照電流、電壓和轉速的最大值作為基準的歸一化值進(jìn)行運算。

　　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、管理構成，在VE 中將矢量的運算過(guò)程分解為幾個(gè)不同的運算任務(wù)，通過(guò)任務(wù)調度來(lái)確定當前調度執行的任務(wù)及其后的任務(wù)執行順序，同時(shí)也提供調度結束后的中斷響應。

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

　　該任務(wù)調度器將包含以下功能：

　　1、任務(wù)調度功能，使任務(wù)按照軟件規定的順序順序執行;2、待機功能，輸出調度任務(wù)執行完成后，等待輸入調度任務(wù)的執行開(kāi)始;?電流檢測完成后給出ADC 中斷信號，啟動(dòng)輸入調度。

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

　　表1 為任務(wù)調度管理器的演示任務(wù)調度過(guò)程。

　　表1 任務(wù)調度示例

3 軟件設計

　　在系統的軟件設計中根據UI 要求細分馬達的工作狀態(tài)，按馬達的工作狀態(tài)來(lái)劃分可存在5 個(gè)工作狀態(tài)，它們分別是：停止(Stop)、定位(Initposition、也稱(chēng)直流勵磁)、強制運轉(Force)、強制→穩定轉換(Change_up)、穩定(Steady_A)。

　　如圖 4.

　　圖4 馬達控制狀態(tài)轉換。

　　1、停止(Stop)狀態(tài)：在該狀態(tài)下馬達停止運行，無(wú)相電流。

　　2、定位(Initposition)狀態(tài)： 在該狀態(tài)下電流流經(jīng)馬達線(xiàn)圈使鐵芯處產(chǎn)生了磁通量，將轉子的位置固定于0 點(diǎn)附近。該位置一旦確定完成后，馬達自動(dòng)進(jìn)入下一狀態(tài)。

　　3、強制運轉(Force)狀態(tài)： 轉子開(kāi)始啟動(dòng)并加速。該狀態(tài)下馬達還未處于矢量控制反饋下，而是人為的強制加入旋轉磁場(chǎng)、馬達的轉子受磁力的影響，跟隨該旋轉磁場(chǎng)進(jìn)行物理旋轉。當旋轉的角速度值達到最低頻率時(shí)，馬達進(jìn)入下一狀態(tài)。

　　4、強制→穩定的切換(Change_up)狀態(tài)：馬達進(jìn)行從強制運轉切換至穩定狀態(tài)的處理。當馬達轉子加速后進(jìn)入穩定的轉速后，進(jìn)入下一狀態(tài)。

　　5、穩定(Steady_A)狀態(tài)：按照轉子的位置和馬達目標速度進(jìn)行驅動(dòng)。

　　寄存器配置

　　圖 5 VE、PMD、ADC 的工作時(shí)序。

　　如圖5,啟動(dòng)馬達前我們需要分別對ADC、VE、PMD 模塊的寄存器進(jìn)行配置。在A(yíng)DC 中，需要配置采樣通道、ADC 采樣時(shí)鐘、采樣完成后通知VE 響應中斷。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)轉換。這里需要注意的是VE 將空間矢量劃分為6 個(gè)60°的扇區，分別對應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(lái)執行輸出。根據VE 觸發(fā)器的生成任務(wù)將VE 扇區信息(VESECTORn)自動(dòng)傳送給PMD 程序的觸發(fā)輸出選擇寄存器(VETRGSELn)。

　　在PMD 中模塊設定中，由于包含了脈寬調制電路、PWM 控制電路、保護控制電路、死區控制電路，因此相應的軟件需要配置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、死區時(shí)間、輸出端口極性(High/Low 有效)、保護控制(EMG、OVV)。

　　在VE 的設定中，需要配置任務(wù)調度、d 軸電流環(huán)的PI 積分系數和比例系數、q 軸電流環(huán)的PI 積分系數和比列系數。

　　當初始化設置完成后啟動(dòng)VE,使VE、ADC 和PMD 三方協(xié)作工作。每當VE的輸入調度完成后，將會(huì )產(chǎn)生一次VE中斷，通過(guò)對中斷的響應刷新任務(wù)調度器即可實(shí)現電機的控制。

　　4 總結

　　基于東芝TX03 系列的變頻方案最大的特點(diǎn)是VE 矢量引擎的硬件化，減少了大量的軟件算法及計算運算時(shí)間，極大的提高了處理器的執行能力，在滿(mǎn)足電機控制的同時(shí)并富有大量的運算結余可以用于其它需求。

　　在電機磁場(chǎng)控制(FOC)硬件化后，也同樣提高了控制系統的穩定、可靠性。

　　同時(shí)由于矢量控制引擎(VE)的模塊化結構，也使得用戶(hù)可以自由選擇使用或不使用其部分運算模塊的功能，使繁瑣的電機控制器系統變成通過(guò)軟件配置靈活的管理任務(wù)調度器

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