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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。 2.2.1 系统设计
在实际案例中使用的电机是8对极直流无刷油烟机电机，无霍尔传感器，单电阻电流采样方式。
如图4所示，电机的电流、母线电压及Vsp速度控制等信号通过TMPM37x的片内A/D转換输入，电机驱动u、v、w、x、y、z及过电流保护用EMG信号通过PMD硬件电路（电机控制电路）输入、输出。同时，为了符合市面上常见的电机驱动板接口规格，还采用了PWM速度控制信号输入和UART通信。而为了保证开发人员调试的便利性，除了通过软件调试端口与PC的集成调试环境相联系外，还包括了DAC、LED、FG信号等，可以辅助监控电机的控制状态。
2.2.2 TX03系列单片机上矢量控制软件的实现
控制软件主要由两部分组成：电机控制程序和电机驱动程序。
2.2.2.1 电机控制程序
电机控制程序在系统初始化完成后由主循环调用，主要是读取应用层发来的控制命令，解析为具体的驱动命令，如控制阶段、目标频率等;同时也将电机驱动程序反馈的驱动状态进行处理后传送给应用层。
如图5所示，电机控制由5个阶段组成。要使电机启动到稳定运转，需要依次进行各个阶段的操作和处理，实施与该阶段相对应的控制。
（1）停止（Stop）阶段：电机停止。
（2）定位（Initial position，也被称作直流励磁）阶段：电流流过电机线圈，铁芯产生磁通量，将转子拉至0点位置附近。位置确定完成后，进入下一阶段。
（3）强制运转（Force）阶段：转子开始旋转。强制加入旋转磁场，使转子追随该旋转磁场旋转。需要注意的是，在该阶段内并不进行矢量控制反馈处理。当角速度指令值增大达到最低频率时，进入阶段（4）。
（4）强制到稳定运转的切换（Change up）阶段：进行从强制运转至稳定状态的切换，使电机配合转子的位置进行转动（原本电机旋转与转子位置无关）。
（5）稳定（Steady）阶段：按照转子位置和电机目标旋转速度进行驱动。
可通过VEACTSCH寄存器的设定来调度电机的各个控制阶段，如表1所示。调度由执行输出处理的输出调度以及执行输入处理的输入调度构成。
2.2.2.2 电机驱动程序
电机驱动程序被AD转换中断唤起，主要是按照控制程序发来的驱动命令驱动电机，同时也会监视电机的动作，将状态传送给电机控制程序。主要包括位置估算、角度检测、频率控制等函数。
2.2.3 方案控制效果
2.2.3.1 方案功能
实际案例最终包括了以下功能：
（1）载波频率15.625 kHz;
（2）速度范围300～1 400 r/min;
（3）起始电流0.4 A;
（4）电机系统过流、过压、欠压等的检测和保护;
（5）电机缺相保护;
（6）电机失步保护。
2.2.3.2 方案性能
油烟机能效规定值及能效标准如表2所示。
全压效率是考察油烟机工作性能的关键指标。
全压效率ηB（%）=×100%
通过引入直流无刷电机，风量、风压可以实现更大值，而同工作条件下的功耗会降低，因此采用直流无刷电机的油烟机产品可以获得更好的全压效率，同时油烟机产品的另一关键技术指标——噪声指数（dB）也会有所降低。
实际案例中，结合油烟机整机测试结果，达到了国标一级的全压效率值，比同一产品采用交流电机的测试值提高了30%以上。
3 结语
直流无刷电机的矢量控制正在更多的工业级、民用级电机应用产品上被采用。矢量控制方法的优点明显，但其所需的大量数学运算对单片机的性能及开发人员的工作都提出了更高的要求。本文中实际案例证实，搭载了矢量引擎的东芝TX03系列单片机，可以帮助开发人员解决以上难题，在降低系统资源消耗的情况下，更快速地实现直流无刷电机应用产品的各项功能和性能要求。
[参考文献]
[1] 江崎雅康.无刷直流电机矢量控制技术[M].查君芳，译.北京：科学出版社，2019.
[2] 吸油烟机能效限定值及能效等级：GB 29539—2013[S].
收稿日期：2021-04-06
作者简介：马蓉（1977—），女，甘肃兰州人，工程师，研究方向：嵌入式系统软件开发。
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。 2.2.1 系统设计
在实际案例中使用的电机是8对极直流无刷油烟机电机，无霍尔传感器，单电阻电流采样方式。
如图4所示，电机的电流、母线电压及Vsp速度控制等信号通过TMPM37x的片内A/D转換输入，电机驱动u、v、w、x、y、z及过电流保护用EMG信号通过PMD硬件电路（电机控制电路）输入、输出。同时，为了符合市面上常见的电机驱动板接口规格，还采用了PWM速度控制信号输入和UART通信。而为了保证开发人员调试的便利性，除了通过软件调试端口与PC的集成调试环境相联系外，还包括了DAC、LED、FG信号等，可以辅助监控电机的控制状态。
2.2.2 TX03系列单片机上矢量控制软件的实现
控制软件主要由两部分组成：电机控制程序和电机驱动程序。
2.2.2.1 电机控制程序
电机控制程序在系统初始化完成后由主循环调用，主要是读取应用层发来的控制命令，解析为具体的驱动命令，如控制阶段、目标频率等;同时也将电机驱动程序反馈的驱动状态进行处理后传送给应用层。
如图5所示，电机控制由5个阶段组成。要使电机启动到稳定运转，需要依次进行各个阶段的操作和处理，实施与该阶段相对应的控制。
（1）停止（Stop）阶段：电机停止。
（2）定位（Initial position，也被称作直流励磁）阶段：电流流过电机线圈，铁芯产生磁通量，将转子拉至0点位置附近。位置确定完成后，进入下一阶段。
（3）强制运转（Force）阶段：转子开始旋转。强制加入旋转磁场，使转子追随该旋转磁场旋转。需要注意的是，在该阶段内并不进行矢量控制反馈处理。当角速度指令值增大达到最低频率时，进入阶段（4）。
（4）强制到稳定运转的切换（Change up）阶段：进行从强制运转至稳定状态的切换，使电机配合转子的位置进行转动（原本电机旋转与转子位置无关）。
（5）稳定（Steady）阶段：按照转子位置和电机目标旋转速度进行驱动。
可通过VEACTSCH寄存器的设定来调度电机的各个控制阶段，如表1所示。调度由执行输出处理的输出调度以及执行输入处理的输入调度构成。
2.2.2.2 电机驱动程序
电机驱动程序被AD转换中断唤起，主要是按照控制程序发来的驱动命令驱动电机，同时也会监视电机的动作，将状态传送给电机控制程序。主要包括位置估算、角度检测、频率控制等函数。
2.2.3 方案控制效果
2.2.3.1 方案功能
实际案例最终包括了以下功能：
（1）载波频率15.625 kHz;
（2）速度范围300～1 400 r/min;
（3）起始电流0.4 A;
（4）电机系统过流、过压、欠压等的检测和保护;
（5）电机缺相保护;
（6）电机失步保护。
2.2.3.2 方案性能
油烟机能效规定值及能效标准如表2所示。
全压效率是考察油烟机工作性能的关键指标。
全压效率ηB（%）=×100%
通过引入直流无刷电机，风量、风压可以实现更大值，而同工作条件下的功耗会降低，因此采用直流无刷电机的油烟机产品可以获得更好的全压效率，同时油烟机产品的另一关键技术指标——噪声指数（dB）也会有所降低。
实际案例中，结合油烟机整机测试结果，达到了国标一级的全压效率值，比同一产品采用交流电机的测试值提高了30%以上。
3 结语
直流无刷电机的矢量控制正在更多的工业级、民用级电机应用产品上被采用。矢量控制方法的优点明显，但其所需的大量数学运算对单片机的性能及开发人员的工作都提出了更高的要求。本文中实际案例证实，搭载了矢量引擎的东芝TX03系列单片机，可以帮助开发人员解决以上难题，在降低系统资源消耗的情况下，更快速地实现直流无刷电机应用产品的各项功能和性能要求。
[参考文献]
[1] 江崎雅康.无刷直流电机矢量控制技术[M].查君芳，译.北京：科学出版社，2019.
[2] 吸油烟机能效限定值及能效等级：GB 29539—2013[S].
收稿日期：2021-04-06
作者简介：马蓉（1977—），女，甘肃兰州人，工程师，研究方向：嵌入式系统软件开发。