增強移動機器人電機控制能力：MCX微控制器是如何做到的？

MCX A和N系列具有通用、高配置的增強型Flex脈寬調(diào)制器 (eFlexPWM) 模塊，可實現(xiàn)精確的電機控制，并提供廣泛的功能集，滿足移動機器人應(yīng)用的各種需求。除了驅(qū)動電機的高級控制外，eFlexPWM模塊還可用于構(gòu)建開關(guān)式電源。 

eFlexPWM模塊的一個主要功能是支持中心對齊、邊沿對齊和非對稱脈寬調(diào)制 (PWM)。 

中心對齊PWM可保持相位對齊，并將無刷直流 (BLDC) 電機的電流波紋降至最低，這種電機因其高效率和扭矩密度而常用于移動機器人領(lǐng)域。開發(fā)人員采用中心對齊PWM，可以實現(xiàn)更平穩(wěn)的電機運行，減少電磁干擾 (EMI)，并延長電機繞組的使用壽命。 

邊沿對齊PWM可簡化占空比計算，并更輕松地控制H橋電路，在移動機器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可用于雙向電機控制、精確定位和速度調(diào)節(jié)。FlexPWM模塊簡化了H橋電路必要控制信號的生成，降低了軟件復(fù)雜性，并提高了固件響應(yīng)速度。 

FlexPWM模塊還提供相移PWM，這對于涉及多相逆變器的移動機器人應(yīng)用來說是一個有價值的功能。開發(fā)人員對PWM信號進行移相，可同時優(yōu)化多臺電機的供電，確保多自由度的系統(tǒng) (如機械臂或多輪平臺) 實現(xiàn)平穩(wěn)協(xié)調(diào)的運動。 

FlexPWM模塊還具備強大的故障保護和自動故障清除機制，確保系統(tǒng)安全可靠。一旦檢測到故障，該模塊會立即切斷PWM輸出，防止對電機繞組等敏感部件造成損害。故障排除后，該模塊可自動清除故障狀態(tài)，并恢復(fù)正常運行，最大限度地減少停機時間，增強整個系統(tǒng)的穩(wěn)健性。 

移動機器人需要精確的位置和速度反饋，才能形成有效的閉環(huán)控制系統(tǒng)。MCX微控制器具有正交解碼器 (QDC) 模塊，這是一種專用外設(shè)，可簡化正交編碼器信號的解碼過程，并提供可靠的位置和速度測量。 

正交編碼器生成兩個正交信號，即A相和B相，它們的相位相差90度。QDC模塊通過分析信號的順序和頻率確定電機軸的位置和旋轉(zhuǎn)方向。該模塊的高級功能，如干擾濾波和邊緣檢測，可確保解碼位置和速度數(shù)據(jù)的完整性與可靠性，即使在存在電氣噪聲或信號干擾的情況下也能保障。 

QDC模塊在計數(shù)器初始化方面具有靈活性，支持開發(fā)人員根據(jù)特定事件或情況調(diào)整計數(shù)器的位置。例如，計數(shù)器可根據(jù)編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的索引脈沖進行初始化。這一功能還簡化了歸位例程和絕對定位的實施。此外，QDC模塊還支持根據(jù)外部傳感器或開關(guān)觸發(fā)的歸位信號進行初始化，從而實現(xiàn)移動機器人系統(tǒng)的精確控制和校準(zhǔn)。 

QDC模塊提供多種速度測量方法，可滿足不同的應(yīng)用需求。開發(fā)人員可以通過監(jiān)測固定時間間隔內(nèi)的位置變化、平衡分辨率和響應(yīng)時間來計算電機速度。此外，該模塊還可以測量連續(xù)正交邊沿之間的累計時間，提供高分辨率速度測量，適合需要快速響應(yīng)和精細(xì)控制的應(yīng)用。 

在優(yōu)化電機控制方面，MCX A系列中的AOI模塊與FlexPWM和QDC模塊相輔相成。AOI模塊支持開發(fā)人員創(chuàng)建可編程組合布爾邏輯，根據(jù)特定輸入條件生成事件輸出。在MCX N系列微控制器中，兩個AOI模塊和一個可配置觸發(fā)器構(gòu)成了事件生成器 (EVTG) 模塊。 

AOI模塊為電機控制提供了高效的解決方案，可以從主處理器分流事件檢測和觸發(fā)器生成任務(wù)，從而減少固件開銷并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。通過配置AOI模塊來監(jiān)測位置、速度或故障狀態(tài)等各種輸入信號，開發(fā)人員可以創(chuàng)建自定義硬件觸發(fā)器，啟動特定的電機控制操作，而無需持續(xù)的軟件干預(yù)。 

例如，AOI模塊能夠被設(shè)定，在滿足特定條件組合時生成觸發(fā)信號，例如當(dāng)電機位置達(dá)到預(yù)定閾值且速度在一定范圍內(nèi)時。然后，此觸發(fā)信號可用于自動調(diào)整PWM占空比、更改電機換向序列或執(zhí)行任何其他所需的電機控制操作。 

開發(fā)人員可以利用AOI模塊的可編程邏輯，實施復(fù)雜的控制策略，對實時事件做出快速反應(yīng)，提高整體性能和效率。AOI模塊非常靈活，支持根據(jù)每個應(yīng)用的具體要求創(chuàng)建自定義觸發(fā)條件，使開發(fā)人員能夠根據(jù)其機器人平臺的獨有特點優(yōu)化電機控制。 

恩智浦提供的FRDM-MC-LVPMSM擴展板有助于電機控制應(yīng)用的開發(fā)和原型設(shè)計。FRDM板結(jié)合了軟硬件資源，可加速設(shè)計過程。它采用shield擴展板外形設(shè)計，可與恩智浦的Freedom開發(fā)板平臺無縫集成。 

FRDM-MC-LVPMSM擴展板與恩智浦永磁電機控制參考軟件相結(jié)合，可提供完整的電機控制參考設(shè)計。該軟件套件包括一系列預(yù)配置電機控制算法、庫和示例項目，使開發(fā)人員能夠針對其特定的移動機器人應(yīng)用快速實施和優(yōu)化電機控制系統(tǒng)。 

此擴展板采用低壓三相永磁同步電機 (PMSM)，由于其高效率、高扭矩密度和精確控制能力，廣泛用于移動機器人領(lǐng)域。此外，該板還包括功率模塊、電流檢測電路和編碼器接口等基本組件，為電機控制開發(fā)提供了完整的平臺。 

開發(fā)人員利用FRDM-MC-LVPMSM擴展板和相關(guān)參考軟件，可以顯著減少設(shè)計和驗證移動機器人電機控制系統(tǒng)所需的時間和精力。該板與FRDM-MCX開發(fā)平臺兼容，可實現(xiàn)無縫集成，使開發(fā)人員能夠根據(jù)其特定應(yīng)用要求選擇合適的微控制器。 

恩智浦提供了低成本的FRDM開發(fā)平臺，可使用MCX快速進行原型設(shè)計。FRDM開發(fā)板具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和接頭，便于連接MCU的輸入/輸出端口，并內(nèi)置了MCU-Link調(diào)試器，帶有USB-C線纜。 

恩智浦的GitHub還允許訪問應(yīng)用示例，可以使用應(yīng)用代碼中心門戶 (ACH) 訪問這些示例。

MCUXpresso IDE和MCUXpresso for VS Code內(nèi)置了ACH瀏覽功能，開發(fā)人員可以輕松搜索可用的演示和示例，并在直接加載項目使用之前按設(shè)備、應(yīng)用技術(shù)或外設(shè)/功能進行篩選。 

擴展板中心  (EBH) 是NXP SDK Builder網(wǎng)站的擴展，開發(fā)人員可以在其中找到恩智浦及其合作伙伴提供的一系列附加板，以擴展所選評估板的功能。該中心提供直觀的篩選功能，可快速查找板卡和可用的支持軟件。開發(fā)人員可以將他們的板與不同類型的擴展板配對，以評估特定用例或應(yīng)用程序并進行快速原型設(shè)計。 

恩智浦的MCX微控制器產(chǎn)品組合代表了電機控制技術(shù)的重大進步，提供了一整套外設(shè)，專用于優(yōu)化移動機器人應(yīng)用中的電機控制。

FlexPWM模塊具有較高的靈活性和可靠性，支持精確電機控制，而正交解碼器 (QDC) 模塊則提供閉環(huán)控制系統(tǒng)所需的精確位置和速度反饋。AOI/EVTG模塊增加了一層可編程邏輯，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建自定義硬件觸發(fā)器，并分流主處理器的事件檢測功能。