● 矢量控制的硬件

实际应用编码器位置传感器的 RX62T 系统中，

微处理器资源分配如图 14 所示。

3 相 PWM 输出（通道 3、通道 4）与编码器输

入（通道 1、通道 2）、PI 控制周期内 CMT（比较匹

配定时器）通道 0、A-D 转换器的母线电压与电流

传感器输入由 MTU3（多功能定时器单元）控制。

● 死区时间功能

如前所示，由开关器件构成的上下臂（互补

PWM）同时开通会形成短路。理论上不该存在这样

的贯通电流（U 相→ U 相），哪怕在开关（切换时）

瞬间发生这种情况也会形成短路。电机多数工作于

高电压、大电流的工况，这种短路会瞬间烧坏或损

坏电机。图 15 所示的 RX62T 的定时器（部分）具

有死区时间功能，能够自动设定死区时间，也可根

据逆变器的特性设定死区时间。

带有死区时间的 6 相输出（互补 PWM）由

MTU3 的通道 3 和通道 4 控制。通道 1 和通道 2 的

相位计算模式，可用于测量数字旋转编码器信号。

不过，Z 相输入信号由 IRQ 端子接收，在程序中进

行计数器清零处理。

● 过电流保护：POE 功能

MTU3 的 POE（Port Output Enable，端口输出

使能）功能（参见表 1）, 

可用于逆变器的过电流保

护。当分流电阻电流检测电路的采样信号电平过高

时，该功能发生作用。比如，出现过电流和母线电

压异常时，强制关闭 PWM 输出，让电机安全地停

止（图 16）。

虽然是为了安全才让电机停止，但电机突然停

止也是很危险的。为了防止过度反应导致误动作，

可以通过 POE 设置信号一致检测次数；也可以检测

中断请求，经处理后停止 PWM 输出。

● A-D 转换开始触发功能

对于电机控制来说，A-D 转换开始触发器和 3

个 S/H（采样和保持）电路与 MTU3 连接十分便利。

进行 180°通电时，A-D 转换时间在 PWM 通断

动作时无法准确地捕捉，需要在电流稳定时进行观

察。这就要求 PWM 的动作必须要配合 MTU3 的动

作才能启动，而且要自动进行。

另外，如图 17 所示，3 个 S/H 电 路是有效的，

因为一般不使用 3 个分流器同时测量相电流，通常

先测量出其中两个相的电流，然后对剩下的一个相

的电流进行估算。

● 检测转子位置的传感器

矢量控制的起点是转子位置检测，否则无法进

行 αβ 变换。另外，即使不用于永磁同步电机，旋转

编码器也可以用于伺服系统的位置控制。通过编码

器进行矢量控制，就是指用旋转编码器来确认转子

位置。

旋转编码器可以分为表示绝对位置的绝 对式编

码器、用 Z 相信号表示一圈初始位置的编码器、仅

表示相对位置的 AB 相编码器（图 18）。绝对式编码

器的价格较贵，一般使用 AB 相编码器或带 Z 相的

编码器。

■ 运行环境

● RX62T 低电压电机控制评估系统

下面以瑞萨 RX62T 低电压电机控制评估系统

（RSSK）为例，介绍控制相关内容。

RSSK 是以 24V 电机为对象，进行 120°/180°

通电，实施霍尔传感器 / 旋转编码器 / 无传感器控制

的实验系统。程序中的变量在实际运行过程中的变

化可以通过 PC 显示，也可以通过低电压电机控制系

统的变量波形显示工具 ICS（In-Circuit Scope）显

示，有助于缩短开发时间（照片 1）。

● 系统运行参数

（1）电 机

·电机转速：最低 600r/min，最高 2000r/min

·母线电压：24V

·电流： 最大相电流为 1.8A

（2）逆变器

·载波频率：20kHz

·电流 / 电压控制：PI 控制（监测 U 相、V 相、

W 相电流，母线电压）

·编码器脉冲：输出轴每旋转 1 圈产生 300 个

脉冲

（3）软 件

微处理器 RX62T 的资源分配参见表 1，软件结

构如图 19 所示。

■ 控制方法

● 控制周期

由于是矢量控制，根据 PWM 载波周期（20kHz）

的编码器输出信号，计算转子位置和转速，并调整

PWM 输出。速度控制（PI 运算）以 1ms 为周期，

读取编码器脉冲计数的累计值。

运算处理的负荷很大，能否在规定时间内完成

运算处理十分重要。运算处理的时间概念如图 20 所

示。下面，我们来看看具体内容。

● 每个载波周期的运算处理项目

载波周期内的矢量控制运算，大致可以归纳为

以下几点。

·获取 U、W 相电流（V 相电流通过计算得出），

逆变器母线电压

·坐标变换（U,V,W → α, β → d, q）

·电流 PI 控制

·非干涉控制

·调制，坐标变换（d, q → α β → U,V,W）

·设定 PWM 输出占空比（U,V,W）

也就是说，将矢量控制插入载波周期中断。

当然，所有的计算都不能超过周期，这是必须

遵守的绝对条件。对于没有 FPU（浮点运算单元）

的微处理器，要在进行坐标变换时，设定固定的小

数点。另外， 微处理器的时钟频率要达到 50MHz 左

右，才有足够的处理能力。使用 20MHz 左右的微

处理器进行控制时，要下调载波频率；或者放弃在

每个载波周期进行控制，每 3 个周期进行一次矢量

控制。 

● 运算的输入参数

（1）编码器输入

编码器检测速度、位置，输入 MTU3 的

MTCLKA、MTCLKB 进行计数（图 21）。 编码器每转动 1 圈输出 300 个脉冲，其脉冲沿计数不会超过：

 300×4 倍＝ 1200

当计数达到 1200 时，计数器归零。这就是编码

器的设定方式。

但是，根据编码器输入得到的是相对位置

（图 22），应在电机启动时进行位置调整。其方法将

在后面的内容中介绍。 

（2）母线电压

母线电压变化时，电机驱动的正弦波的峰峰值

与有效值也会变化。因此，这需要反映到 PWM 输

出占空比控制。实际上，这就决定了正弦波输出有

效值的大小（图 23）。

（3）相电流

相电流的检测时间，是载波周期内 PWM 输出

切换后电流达到稳定时。

PWM 载波周期为 20kHz（50μs）。这比 A-D 转

换时间 1μs 要大，而且，使用了编码器的控制，是

根据相电流来估算转子位置的。因此，A-D 转换开

始触发，即使在载波周期中断内启动软件也是完全

可以的（图 24）。

为了提高相电流的检测精度，可以放大信号，

使 A - D 转 换 器 工 作 于 极 致 状 态 （ 图 2 5 ）。 当 然 ，

分流电阻损耗会增加。以 RSSK 为例，电阻值为

0.05Ω（50mΩ）。

测量范围是 -10～＋10A，信号经 5 倍放大后，

有效值为 1/2Vcc 时，电压为 -2.5～＋2.5V。