基于东芝TX03系列单片机的矢量控制方案研究

马蓉

摘 要：直流无刷电机的控制技术已经发展到了矢量控制阶段，但是矢量控制算法本身复杂度较高，对软件实现的工作量和难度都提出了挑战。东芝的TX03系列单片机带有矢量引擎协处理器，故矢量控制过程中大量的数学计算可由系统自主完成，现阐明了矢量控制直流无刷电机应用于家用油烟机系统的框架、软件实现方法、控制性能等，期望可以幫助开发人员解决前述困难，在降低系统资源消耗的同时，更快速地实现产品的各项功能和性能要求。

关键词：直流无刷电机;单片机;矢量控制;变频;东芝TX03系列单片机

0    引言

电机从诞生发展至今已有近200年的历史，现已广泛应用于人类生产和生活的方方面面，与此同时，由电机应用带来的电能消耗问题也日益突出。在我国，各类电机的总耗电量占据了年度总发电量的2/3左右，因此，如何让电机应用更加节能环保，成为科学研究人员及工程技术人员近些年来高度关注的课题。进入21世纪以来，直流无刷电机因其能效高、寿命长、噪声低等特点，在我国不断被扩大使用;而半导体技术近几十年的飞速发展，推动了直流无刷电机的控制技术从方波驱动、正弦波驱动进入到了控制精准度更高的矢量控制阶段。

1    直流无刷电机的矢量控制技术

1.1    直流无刷电机的控制系统

直流无刷电机的控制系统由控制电路、逆变电路（含预驱动器）、直流无刷电机、位置传感器等组成，其中控制电路可以采用专用的电机驱动芯片或者单片机加驱动软件的不同方案。图1是采用单片机控制的系统示意图。其中，如果没有位置传感器，需要无传感器控制时，则要通过电流检测等来获取位置情报。

1.2    矢量控制过程及实际应用的难点

电机的旋转需要旋转力。电流流过三相线圈，转子产生转矩（旋转力），而为了保证转子在不同负载下持续转动，必须检测出转子的位置，控制流过线圈的电流，也就是必须控制转子产生最适合的转矩。直流无刷电机的矢量控制，是把给电机的电流指令值分解为转矩成分、磁场成分，通过控制转子的磁通方向的d轴成分（d轴电流）来控制磁场，通过控制与它垂直的q轴成分（q轴电流）来控制电机转矩。

对于转矩来说，d轴电流没有贡献，对于外侧配置有永磁体的直流无刷电机，一般采用保持d轴电流Id为0的控制，可以使电机转动实现更小的电流和更高的效率。

直流无刷电机矢量控制的基本流程如图2所示，其中：

①电流控制，是由电流指令值（Idref、Iqref）和实际电流值（Id、Iq）算出输出电压（Vd、Vq）。

②反坐标变换，又称反Park变换，是从旋转坐标（Vd、Vq）变换为静止坐标（Vα、Vβ）。

③相变换（两相→三相），又称反Clark变换，是从静止坐标值（Vα、Vβ）变换为三相电压值（Vu、Vv、Vw）。

④三相PWM输出。

⑤电流检测，是从模拟数字转换器测定分流电阻的电压变换为三相的电流值（Iu、Iv、Iw）。

⑥相变换又称Clark变换，是把三相电流值（Iu、Iv、Iw）坐标变换为两相电流值（Iα、Iβ）。

⑦坐标变换又称Park变换，是把两相电流值（Iα、Iβ）变换为旋转坐标值（Iq、Id）。

⑧位置检测，是要计算出马达速度（ω）和马达位置（θ）。

⑨速度控制，由目标速度（ωref）和实际速度（ω）算出电流指令值（Idref、Iqref）。

可以看到，上述整个控制过程需要进行大量的数学运算和处理，导致单片机程序的复杂度较高，同时单片机CPU的资源也会一直被占用，开发人员的工作量及系统的消耗都是比较大的。解决这些问题，将会帮助直流无刷电机获得更好的应用基础。

2    东芝TX03系列单片机控制直流无刷电机

2.1    东芝TX03系列单片机

东芝TX03系列单片机是东芝基于ARM[R]Cortex[R] -M3内核的32位单片机产品，其中的M370组是专门针对民用级电机控制应用而推出的，除了采用高性能的ARM[R] 内核，它突出的特点是搭载了东芝自有设计的矢量引擎（Vector Engine，简称VE）。

M370组的矢量控制结构如图3所示。图3中②是矢量引擎处理的部分，可以看到矢量控制过程中诸如坐标变换、相变换、sin/cos计算处理、电流PI参数控制等需要进行大量计算的部分均交由类似协处理器的矢量引擎来完成，从而单片机的中央处理器等资源就可以被释放出来满足开发者希望的其他处理需求，使得在其他硬件资源同等的情况下，单片机可以实现更高的处理速度或更丰富的用户功能。同时，对于开发者来说，只需进行相应的寄存器设置和少量的编程，不再需要特别为此部分编写复杂的软件代码，大大减小了开发和维护的工作量，也降低了系统软件出错的概率。

图3中①的部分即速度控制、位置估算的部分则为开发者软件，这样，可以给予开发者自由度和灵活性，保证开发者的自有算法可以实现。

2.2    直流无刷电机控制的实现

直流无刷电机如今已经应用到各类型的工业、家用设备中。近年来，伴随国内经济的发展和住宅水平的提高，厨房电器产品也在不断向高级、低功耗、静音方向发展。其中，家用油烟机产品近五六年内在市场上也逐渐出现了采用直流无刷电机的案例。虽然目前市场产品的主流仍然采用交流电机，但采用了直流无刷电机的产品因其噪声更小、吸力更强、更加省电以及可以真正实现无级调速等特点正被更多的制造商、设计商所关注，被认为是未来家用油烟机产品的主流发展方向。

下面以家用油烟机直流无刷电机为应用案例，阐述基于东芝TX03系列单片机的矢量控制的具体实现方法。