雅特力AT32高性能MCU,驅動電機控制應用發展與創新

發表時間:2022-05-26 09:43

在世界環保趨勢與工業自動化浪潮下,家電、商務、工業與醫療等領域紛紛開始“技術變革”,高效能電機驅動技術逐漸翻新傳統的各種驅動應用。


高效能電機驅動系統搭載高性能驅動器,取代了低效率且低效能的傳統電機,包括許多內燃驅動產品也紛紛電動化,采用電機驅動形式。在電機驅動系統性能優化上,除了電機本身特性外,驅動器對于整體系統優劣具有決定性的影響,MCU作為驅動器的控制核心,成了高性能驅動器設計的關鍵。

雅特力科技AT32工業級MCU使用高性能具浮點運算指令的ARM? Cortex?-M4F內核,工作頻率高達288MHz、512k bytes零等待(Zero wait-state) Flash、3個12-bit 5.33Msps ADC、32-bit分辨率的計數/捕捉定時器、專利芯片代碼防護機制,以及超具競爭力的價格優勢,特別適用于電機驅控應用,以下將詳細介紹AT32 MCU優異的性能特點及在電機控制應用上的優勢。


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圖1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY



具浮點運算指令ARM? Cortex?-M4F內核


在電機矢量控制的應用中,需要快速而精確的計算能力,如電壓/電流矢量的坐標轉換、位置\速度\電流控制,以及在sensorless控制時的轉子磁極位置估測等等。AT32 MCU Cortex-M4F核心浮點運算可輕易實現這些算法,并具備高速運算與提高運算精度的能力。


288MHz高速主頻


天下武功,唯快不破。AT32 MCU工作主頻高達288MHz,領先業界其它同級MCU,搭配Cortex-M4F核心運算,具有快速高效的算法能力。特別是在伺服控制應用中,需要高頻取樣率的快速電流/速度/位置等控制回路計算,AT32 MCU都能輕松勝任游刃有余,并可保留MCU執行余裕提供其它輔助功能程序運作,例如通訊功能等等。

高速時鐘頻率同時也讓脈波寬度調變PWM體現出高分辨率的優勢,由于驅動器藉由脈波寬度調變輸出脈波電壓,以改變電機電流,故PWM分辨率決定了控制電機電壓振幅的能力,而PWM頻率越高則可提高電壓相位的控制解析,并減少電機電流漣波,圖2的示意圖說明了PWM信號的分辨率和頻率對電流的影響。但在相同頻率下,PWM分辨率越高則PWM頻率越低,因為兩者的乘積是對比于系統頻率,故高時鐘頻率可同時兼顧PWM分辨率與頻率,特別是在數十萬轉的電機驅動應用上,因電機轉速快電流頻率高、電機線圈電感小,需要提供高頻、高解析的PWM電壓,方能使電機高效穩定運轉。


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圖2 PWM信號產生與切換電流的關系


零等待Flash


高主頻MCU運算速度雖快,但若無高速存儲器配合,整體執行效能會受限于Flash指令擷取速度,雖可將關鍵程序區段搬移至SRAM,但卻會減少可運用的SRAM空間,且增加程序復雜度。AT32 MCU內建Flash彈性映射功能,如圖3所示,MCU于啟動時,自動將映射區域的Flash資料搬移至ZW(zero wait-state)記憶區塊,最高可使用達512k byte零等待Flash。藉由Cortex-M4F內核、288MHz高主頻與零等待Flash三者的完美配合,發揮MCU極致執行效能。此外針對高性價比的MCU系列,雖未設計零等待Flash,但雅特力科技特別優化其pre-fetch與catch buffer架構與運作機制,以確保在絕大部分執行狀況下,等同于零等待Flash的執行效能。


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圖3 零等待Flash映射區塊示意圖


高速12-bit ADC


在電機控制應用中,必須實時感測電機的電流狀態,以進行高速電流環控制運算,特別是在單電阻電流取樣時,須在極短時間內(<1us)讀取電流回授信號以避開噪聲,如圖4所示,以及在sensorless控制應用,還需要實時感測DC BUS電壓或電機端電壓,因此需要高速ADC外圍支持。此外為精確獲取高解析的電流與電壓信息,12-bit ADC是兼顧解析與成本的合理選擇。AT32 MCU具備取樣速率達5.33MHz的12-bit ADC,并擁有24個外部通道設計,足可提供電機控制相關的信號取樣需求。


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圖4 單電阻電流取樣示意圖


32-bit分辨率的計數/捕捉定時器


在伺服控制器應用中,為了滿足寬廣的高低速控制比例,以及精確的速度與定位控制,使用20-bit以上高解析編碼器是很常見的,因此MCU需要具有編碼器信號4倍頻功能的32-bit定時器。此外在使用霍爾元件感測轉子位置的低成本應用上,在顧及低速的運轉條件下,受限于16-bit捕捉定時器的計數范圍,必須將定時器計時的頻率適當除頻,但如此一來便犧牲了電機高速時的速度分辨率。有鑒于此,AT32 MCU設計了兩組32-bit分辨率的計數/捕捉定時器,可滿足高階伺服控制器與低成本驅動器的應用需求。


三組高級定時器


用于輸出三相互補PWM信號的高級定時器,是MCU在電機控制應用中不可或缺的單元。AT32 MCU設計了三組16-bit分辨率的高級定時器,搭配MCU的快速運算能力與ADC快速取樣,可輕松實現三軸電機控制系統。


通訊外圍支援


由于電機驅動廣泛應用于各種專業與生活領域,為滿足不同產品的通訊需求,其通訊界面也十分多樣。AT32 MCU內建多組UART、CAN 、I2C、SPI與USB界面,可滿足大部分的產品通訊需求。其中AT32WB415系列更有采用低功耗(BLE)藍牙5.0,集成藍牙射頻(RF)收發器與基帶(baseband)功能所組成的無線通訊型MCU,為各種物聯網應用提供最佳方案。


彈性DMA通道映射


電機驅動器所使用的MCU外圍眾多,又常需要進行實時處理,運用DMA通道進行特定位置資料的實時更新是常用的辦法,然而因MCU外圍使用較多,無可避免會遇到DMA通道沖突的窘境,因此AT32 MCU設計了DMA通道彈性映射功能,讓DMA的通道配置更加靈活,可以將某外圍的DMA請求通道指定到三個DMA控制器共22個通道中的任意一個通道,大大提升了應用彈性與便利性。


專利芯片代碼防護機制


AT32 MCU具有多重的芯片安全防護措施,包含絕對性的讀保護(RDP)、隨機數Flash燒錄,以及雅特力自行研發的sLib(security library)功能,可指定范圍以密碼保護特定程序區,例如上游方案商將核心算法保護后,可提供給下游客戶做二次程序開發。對于外部擴展SPI NOR Flash通過MCU燒錄此外擴Flash時,該區段程序與資料會被芯片內部硬件打亂數值加密,對MCU代碼做了全面性防護。


除了MCU性能與功能的考量外,價格也是MCU選型重要因素之一,AT32 MCU具有極強的價格競爭力,全系列采用Cortex?-M4和M0+內核,其中部分M4內核產品價格可媲美M0+ MCU,為客戶設計出高性價比且優質的電機驅動產品提供了可能性。

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