面向高效能應(yīng)用的電機(jī)控制主控芯片及解決方案

電機(jī)作為最主要的機(jī)電能源轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍布全球國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)論是在人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫陌咨译姷燃矣秒娖?，還是無(wú)人飛行器等消費(fèi)電子產(chǎn)品，以及各類機(jī)器人等工業(yè)控制產(chǎn)品等方面，都有著極為廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)供應(yīng)的電能中有近60%是用于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而消耗，因此降低電機(jī)能耗可以有效地提高能源利用率。目前電機(jī)也由早期的交流電機(jī)轉(zhuǎn)向使用直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）以提高能效利用率，高效節(jié)能是整個(gè)電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

基于MCU控制的無(wú)刷直流電機(jī)消除了刷子磨損和弧形機(jī)構(gòu)，該技術(shù)使電機(jī)具有更高的效率，更高的轉(zhuǎn)矩-慣量比，更高的速度性能，更低的噪聲，更好的熱效率和低EMI特性。從而使電機(jī)在更低成本下可以更為高效的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，并從整體上降低了整機(jī)成本。

圖1.MCU控制的電機(jī)典型結(jié)構(gòu)

國(guó)民技術(shù)高效電機(jī)控制系列產(chǎn)品Roadmap

針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用市場(chǎng)，國(guó)民技術(shù)有針對(duì)性的規(guī)劃了系列化的芯片產(chǎn)品和解決方案，覆蓋高、中、低電機(jī)市場(chǎng)應(yīng)用，具有如下特色和優(yōu)勢(shì)：

1. 具備高性能32位處理器內(nèi)核，支持硬件乘除法運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算，DSP運(yùn)算指令，實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)高效、快速、準(zhǔn)確的指令控制。

2. 提供多路高速PWM定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），基于單MCU芯片可實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)的無(wú)傳感器控制，同時(shí)對(duì)于有感電機(jī)支持編碼器輸入接口。

3. 芯片內(nèi)置專用比較器（COMP）和運(yùn)算放大器（OPAMP），支持內(nèi)置可編程增益放大模式（PGA），簡(jiǎn)化了整機(jī)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮小板內(nèi)空間、降低成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4. 內(nèi)置MOS驅(qū)動(dòng)器，支持高壓輸入（僅M系列和部分型號(hào)支持）

圖2.國(guó)民技術(shù)電機(jī)控制MCU Roadmap

基于N32G455系列MCU的一拖多電機(jī)控制解決方案

N32G455系列芯片為已發(fā)布的通用增強(qiáng)型處理器，支持FPU及DSP高速的處理能力、集成4個(gè)獨(dú)立的12bitADC、內(nèi)置4個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器和7個(gè)高速模擬比較器，適用于單芯片控制多電機(jī)的應(yīng)用。同時(shí)，為了加快用戶開發(fā)，縮短客戶產(chǎn)品上市時(shí)間，國(guó)民技術(shù)提供了包括各類電機(jī)控制底層算法、評(píng)估板和相關(guān)開發(fā)文檔等全套用戶級(jí)開發(fā)套件和應(yīng)用指導(dǎo)，開發(fā)套件囊括了從基本的直流無(wú)刷（BLDC），到用于高級(jí)無(wú)傳感器定向控制（FOC）、以及有傳感器控制等種類齊全的電機(jī)解決方案。支持有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、BLDC、永磁同步電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等多種電機(jī)類型。

N32G455電機(jī)系列在應(yīng)用中，具有如下基礎(chǔ)性底層技術(shù)優(yōu)勢(shì)，革新行業(yè)技術(shù)演進(jìn)路線：

1.高達(dá)4個(gè)獨(dú)立的具有5Msps高速采樣速率的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），實(shí)現(xiàn)單芯片FOC控制兩個(gè)甚至四個(gè)BLDC電機(jī)，極大降低多電機(jī)應(yīng)用中的成本控制。

2.硬件級(jí)電機(jī)控制脈寬調(diào)制，最小脈寬低至6.9ns，具有更高的電機(jī)控制精度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確調(diào)教和穩(wěn)定運(yùn)行。

3.片內(nèi)集成模擬運(yùn)算放大器、模擬比較器及12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），更高的集成度可提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，并進(jìn)一步降低BOM成本。

4.片內(nèi)緊密耦合存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)快速的存儲(chǔ)器訪問(wèn)和調(diào)度。

5.內(nèi)置10余種密碼算法硬件加速引擎，提供硬件級(jí)的程序Flash分區(qū)保護(hù)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)核心算法的分區(qū)存儲(chǔ)和加密保護(hù)、核心代碼分區(qū)訪問(wèn)、程序的安全啟動(dòng)等有關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)零附加成本防抄板、防篡改、防竊取。

基于用戶級(jí)簡(jiǎn)單易用的電機(jī)解決方案開發(fā)套件

基于N32G455系列芯片的電機(jī)控制開發(fā)套件，提供完整的電機(jī)控制算法庫(kù)，支持包括MRAS在內(nèi)的多種無(wú)感算法、基于正交編碼的位置環(huán)控制，支持單電阻、雙電阻電流采樣控制，支持BLDC、FOC混合應(yīng)用，支持完全獨(dú)立的雙電機(jī)、四電機(jī)應(yīng)用，支持全參數(shù)的數(shù)據(jù)觀測(cè)和參數(shù)配置，支持代碼自動(dòng)生成的開發(fā)流程。

圖3.電機(jī)控制算法庫(kù)模塊架構(gòu)

功能齊全的用戶級(jí)評(píng)估板

為方便用戶評(píng)估，國(guó)民技術(shù)提供基于N32G455控制芯片的電機(jī)評(píng)估板，該評(píng)估板由相互分離的驅(qū)動(dòng)板（包含雙電阻雙FOC驅(qū)動(dòng)板、單電阻雙FOC驅(qū)動(dòng)板）和控制板組成，用戶可以自由組合出相應(yīng)的電機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)，該開發(fā)套件支持無(wú)感FOC應(yīng)用評(píng)估、HALL位置檢測(cè)FOC應(yīng)用評(píng)估、編碼器位置檢測(cè)FOC應(yīng)用評(píng)估。

圖4. 雙電阻雙FOC評(píng)估板

圖5.單電阻雙FOC評(píng)估板

基于N32G455系列增強(qiáng)型微控制器的優(yōu)異特性

N32G455系列采用32bit ARM Cortex-M4F內(nèi)核、集成最大容量512KB Flash，144KB SRAM，集成多達(dá)17個(gè)高性能模擬器件，18個(gè)數(shù)字通訊接口，內(nèi)置10余種密碼算法硬件加速引擎，支持存儲(chǔ)加密、用戶分區(qū)保護(hù)、安全啟動(dòng)等多種安全特性，可廣泛應(yīng)用于白色家電、手持云臺(tái)、無(wú)人飛行器、機(jī)器人、數(shù)字電源、UPS、伺服控制器等應(yīng)用領(lǐng)域。

圖6.N32G455系列型號(hào)資源配置表

N32G455系列MCU芯片已量產(chǎn)，為了協(xié)助客戶加快產(chǎn)品市場(chǎng)部署，國(guó)民技術(shù)可面向客戶、分銷商工程師提供門類齊全的應(yīng)用培訓(xùn)。