關於電機矢量控制對處理器的功能需求和控制方法詳解

● 矢量控制的硬體實際應用編碼器位置感測器的 RX62T 系統中，微處理器資源分配如圖 14 所示。

3 相 PWM 輸出（通道 3、通道 4）與編碼器輸入（通道 1、通道 2）、PI 控制週期內 CMT（比較匹配定時器）通道 0、A-D 轉換器的母線電壓與電流感測器輸入由 MTU3（多功能定時器單元）控制。● 死區時間功能如前所示，由開關器件構成的上下臂（互補PWM）同時開通會形成短路。理論上不該存在這樣的貫通電流（U 相→ U 相），哪怕在開關（切換時）

瞬間發生這種情況也會形成短路。電機多數工作於

高電壓、大電流的工況，這種短路會瞬間燒壞或損壞電機。圖 15 所示的 RX62T 的定時器（部分）具有死區時間功能，能夠自動設定死區時間，也可根據逆變器的特性設定死區時間。

帶有死區時間的 6 相輸出（互補 PWM）由MTU3 的通道 3 和通道 4 控制。通道 1 和通道 2 的相位計算模式，可用於測量數字旋轉編碼器信號。不過，Z 相輸入信號由 IRQ 端子接收，在程序中進

行計數器清零處理。

● 過電流保護：POE 功能MTU3 的 POE（Port Output Enable，埠輸出使能）功能（參見表 1）,

可用於逆變器的過電流保

護。當分流電阻電流檢測電路的採樣信號電平過高時，該功能發生作用。比如，出現過電流和母線電壓異常時，強制關閉 PWM 輸出，讓電機安全地停止（圖 16）。

雖然是為了安全才讓電機停止，但電機突然停止也是很危險的。為了防止過度反應導致誤動作，可以通過 POE 設置信號一致檢測次數；也可以檢測中斷請求，經處理後停止 PWM 輸出。● A-D 轉換開始觸發功能對於電機控制來說，A-D 轉換開始觸發器和 3個 S/H（採樣和保持）電路與 MTU3 連接十分便利。進行 180°通電時，A-D 轉換時間在 PWM 通斷

動作時無法準確地捕捉，需要在電流穩定時進行觀

察。這就要求 PWM 的動作必須要配合 MTU3 的動作才能啟動，而且要自動進行。另外，如圖 17 所示，3 個 S/H 電 路是有效的，因為一般不使用 3 個分流器同時測量相電流，通常先測量出其中兩個相的電流，然後對剩下的一個相的電流進行估算。

編碼器和矢量控制● 檢測轉子位置的感測器

矢量控制的起點是轉子位置檢測，否則無法進

行 αβ 變換。另外，即使不用於永磁同步電機，旋轉

編碼器也可以用於伺服系統的位置控制。通過編碼器進行矢量控制，就是指用旋轉編碼器來確認轉子位置。旋轉編碼器可以分為表示絕對位置的絕 對式編碼器、用 Z 相信號表示一圈初始位置的編碼器、僅表示相對位置的 AB 相編碼器（圖 18）。絕對式編碼器的價格較貴，一般使用 AB 相編碼器或帶 Z 相的編碼器。

運行環境● RX62T 低電壓電機控制評估系統下面以瑞薩 RX62T 低電壓電機控制評估系統（RSSK）為例，介紹控制相關內容。RSSK 是以 24V 電機為對象，進行 120°/180°通電，實施霍爾感測器 / 旋轉編碼器 / 無感測器控制的實驗系統。程序中的變數在實際運行過程中的變化可以通過 PC 顯示，也可以通過低電壓電機控制系統的變數波形顯示工具 ICS（In-Circuit Scope）顯

示，有助於縮短開發時間（照片 1）。

● 系統運行參數（1）電 機·電機轉速：最低 600r/min，最高 2000r/min·母線電壓：24V·電流： 最大相電流為 1.8A（2）逆變器·載波頻率：20kHz·電流 / 電壓控制：PI 控制（監測 U 相、V 相、W 相電流，母線電壓）

·編碼器脈衝：輸出軸每旋轉 1 圈產生 300 個

脈衝（3）軟 件微處理器 RX62T 的資源分配參見表 1，軟體結構如圖 19 所示。

控制方法● 控制週期由於是矢量控制，根據 PWM 載波週期（20kHz）的編碼器輸出信號，計算轉子位置和轉速，並調整PWM 輸出。速度控制（PI 運算）以 1ms 為週期，讀取編碼器脈衝計數的累計值。運算處理的負荷很大，能否在規定時間內完成運算處理十分重要。運算處理的時間概念如圖 20 所示。下面，我們來看看具體內容。

● 每個載波週期的運算處理項目

載波週期內的矢量控制運算，大致可以歸納為以下幾點。·獲取 U、W 相電流（V 相電流通過計算得出），逆變器母線電壓·坐標變換（U,V,W → α, β → d, q）·電流 PI 控制·非干涉控制·調製，坐標變換（d, q → α β → U,V,W）·設定 PWM 輸出佔空比（U,V,W）也就是說，將矢量控制插入載波週期中斷。當然，所有的計算都不能超過週期，這是必須遵守的絕對條件。對於沒有 FPU（浮點運算單元）的微處理器，要在進行坐標變換時，設定固定的小數點。另外， 微處理器的時鐘頻率要達到 50MHz 左右，纔有足夠的處理能力。使用 20MHz 左右的微處理器進行控制時，要下調載波頻率；或者放棄在每個載波週期進行控制，每 3 個週期進行一次矢量控制。 ● 運算的輸入參數（1）編碼器輸入編碼器檢測速度、位置，輸入 MTU3 的MTCLKA、MTCLKB 進行計數（圖 21）。 編碼器每轉動 1 圈輸出 300 個脈衝，其脈衝沿計數不會超過： 300×4 倍＝ 1200當計數達到 1200 時，計數器歸零。這就是編碼器的設定方式。

但是，根據編碼器輸入得到的是相對位置（圖 22），應在電機啟動時進行位置調整。其方法將在後面的內容中介紹。

（2）母線電壓母線電壓變化時，電機驅動的正弦波的峯峯值與有效值也會變化。因此，這需要反映到 PWM 輸出佔空比控制。實際上，這就決定了正弦波輸出有效值的大小（圖 23）。

（3）相電流

相電流的檢測時間，是載波週期內 PWM 輸出切換後電流達到穩定時。PWM 載波週期為 20kHz（50μs）。這比 A-D 轉換時間 1μs 要大，而且，使用了編碼器的控制，是根據相電流來估算轉子位置的。因此，A-D 轉換開始觸發，即使在載波週期中斷內啟動軟體也是完全可以的（圖 24）。

為了提高相電流的檢測精度，可以放大信號，使 A - D 轉 換 器 工 作 於 極 致 狀 態 （ 圖 2 5 ）。 當 然 ，

分流電阻損耗會增加。以 RSSK 為例，電阻值為0.05Ω（50mΩ）。測量範圍是 -10～＋10A，信號經 5 倍放大後，有效值為 1/2Vcc 時，電壓為 -2.5～＋2.5V。

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