基于TMPM374和IPD的變頻冰箱參考方案

　　以傳統開關控制的電機驅動方式消耗了全球近40%的電力，針對電機驅動效率的改善要求在現今全球化的節能浪潮下也越來越受到眾多關注，國家新公布的"節能產品惠民工程"再一次將空調、洗衣機、家用電冰箱列為補貼對象。基于變頻方式的電機驅動控制盡管可有效的提高能效比，但復雜的設計卻是開發人員必須面對的一個不小挑戰，而且為了輔助復雜的運算，此類方案多會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器模塊(IPD)可協助設計人員克服上述問題。

　　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硬件替換，簡化了開發難度，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IGBT 和3 個半橋驅動，同時也集成了半橋驅動的自舉二極管、過壓保護電路、過流保護電路、過溫自動關斷電路。因驅動信號可以直接支持5V 電平，適合MCU 直接驅動控制。

　　TMPM374

　　東芝基于ARM 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 內部同時也提供了上電復位電路(POR)、電壓自動偵測(LVD)、內部可校準的高速RC 振蕩電路、1 路UART/SPI、硬件編碼盤輸入、1 個擁有8 路輸出/輸入比較通道的16 位定時器、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(PMD)、矢量運算引擎(VE)等豐富外設，可滿足正常的電機驅動運算需求。

　　TMPM374 用于電機驅動最大的優勢在于其內部集成的矢量控制引擎(VE)，該引擎是通過將FOC 運算模塊用硬件的方式集成在芯片中，用戶可不必關心FOC 運算的中間過程，通過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ADC、馬達控制電路(PMD)共同實現馬達的矢量驅動控制。 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，可通過配置設定。

　　在矢量的運算過程中，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、觸發生成、輸入處理)?將定點形式的運算結果轉換成馬達控制電路設定的數據形式?同步觸發動作時序?將A/D 轉換結果轉換成定點形式的數據3、內置的電流控制環的PI 控制(電流控制任務)4、基于PWM 周期的轉速積分的相位插值(SIN/COS 運算任務)5、按照電流、電壓和轉速的最大值作為基準的歸一化值進行運算。

　　圖 3 VE 控制框圖

　　矢量控制引擎的工作方式是以任務的組織、管理構成，在VE 中將矢量的運算過程分解為幾個不同的運算任務，通過任務調度來確定當前調度執行的任務及其后的任務執行順序，同時也提供調度結束后的中斷響應。

　　在任務調度過程中，任務調度器在整個矢量控制引擎中具有至關重要的作用。

　　該任務調度器將包含以下功能：

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

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

　　表1 為任務調度管理器的演示任務調度過程。

　　表1 任務調度示例

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，按馬達的工作狀態來劃分可存在5 個工作狀態，它們分別是：停止(Stop)、定位(Initposition、也稱直流勵磁)、強制運轉(Force)、強制→穩定轉換(Change_up)、穩定(Steady_A)。

　　如圖 4.

　　圖4 馬達控制狀態轉換。

　　1、停止(Stop)狀態：在該狀態下馬達停止運行，無相電流。

　　2、定位(Initposition)狀態： 在該狀態下電流流經馬達線圈使鐵芯處產生了磁通量，將轉子的位置固定于0 點附近。該位置一旦確定完成后，馬達自動進入下一狀態。

　　3、強制運轉(Force)狀態： 轉子開始啟動并加速。該狀態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、馬達的轉子受磁力的影響，跟隨該旋轉磁場進行物理旋轉。當旋轉的角速度值達到最低頻率時，馬達進入下一狀態。

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

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

　　寄存器配置

　　圖 5 VE、PMD、ADC 的工作時序。

　　如圖5,啟動馬達前我們需要分別對ADC、VE、PMD 模塊的寄存器進行配置。在ADC 中，需要配置采樣通道、ADC 采樣時鐘、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 同步觸發轉換。這里需要注意的是VE 將空間矢量劃分為6 個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，因此需要配置觸發來執行輸出。根據VE 觸發器的生成任務將VE 扇區信息(VESECTORn)自動傳送給PMD 程序的觸發輸出選擇寄存器(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、關斷模式、死區時間、輸出端口極性(High/Low 有效)、保護控制(EMG、OVV)。

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

　　當初始化設置完成后啟動VE,使VE、ADC 和PMD 三方協作工作。每當VE的輸入調度完成后，將會產生一次VE中斷，通過對中斷的響應刷新任務調度器即可實現電機的控制。

　　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間，極大的提高了處理器的執行能力，在滿足電機控制的同時并富有大量的運算結余可以用于其它需求。

　　在電機磁場控制(FOC)硬件化后，也同樣提高了控制系統的穩定、可靠性。

　　同時由于矢量控制引擎(VE)的模塊化結構，也使得用戶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軟件配置靈活的管理任務調度器

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