雅特力AT32高性能MCU，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制應(yīng)用發(fā)展與創(chuàng)新
在世界環(huán)保趨勢(shì)與工業(yè)自動(dòng)化浪潮下，家電、商務(wù)、工業(yè)與醫(yī)療等領(lǐng)域紛紛開(kāi)始“技術(shù)變革”，高效能電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)逐漸翻新傳統(tǒng)的各種驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。
高效能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載高性能驅(qū)動(dòng)器，取代了低效率且低效能的傳統(tǒng)電機(jī)，包括許多內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品也紛紛電動(dòng)化，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)化上，除了電機(jī)本身特性外，驅(qū)動(dòng)器對(duì)于整體系統(tǒng)優(yōu)劣具有決定性的影響，MCU作為驅(qū)動(dòng)器的控制核心，成了高性能驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
雅特力科技AT32工業(yè)級(jí)MCU使用高性能具浮點(diǎn)運(yùn)算指令的ARM® Cortex®-M4F內(nèi)核，工作頻率高達(dá)288MHz、512k bytes零等待(Zero wait-state) Flash、3個(gè)12-bit 5.33Msps ADC、32-bit分辨率的計(jì)數(shù)/捕捉定時(shí)器、專利芯片代碼防護(hù)機(jī)制，以及超具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，特別適用于電機(jī)驅(qū)控應(yīng)用，以下將詳細(xì)介紹AT32 MCU優(yōu)異的性能特點(diǎn)及在電機(jī)控制應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。
圖1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY
具浮點(diǎn)運(yùn)算指令A(yù)RM® Cortex®-M4F內(nèi)核
在電機(jī)矢量控制的應(yīng)用中，需要快速而精確的計(jì)算能力，如電壓/電流矢量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、位置速度電流控制，以及在sensorless控制時(shí)的轉(zhuǎn)子磁極位置估測(cè)等等。AT32 MCU Cortex-M4F核心浮點(diǎn)運(yùn)算可輕易實(shí)現(xiàn)這些算法，并具備高速運(yùn)算與提高運(yùn)算精度的能力。
天下武功，唯快不破。AT32 MCU工作主頻高達(dá)288MHz，領(lǐng)先業(yè)界其它同級(jí)MCU，搭配Cortex-M4F核心運(yùn)算，具有快速高效的算法能力。特別是在伺服控制應(yīng)用中，需要高頻取樣率的快速電流/速度/位置等控制回路計(jì)算，AT32 MCU都能輕松勝任游刃有余，并可保留MCU執(zhí)行余裕提供其它輔助功能程序運(yùn)作，例如通訊功能等等。
高速時(shí)鐘頻率同時(shí)也讓脈波寬度調(diào)變PWM體現(xiàn)出高分辨率的優(yōu)勢(shì)，由于驅(qū)動(dòng)器藉由脈波寬度調(diào)變輸出脈波電壓，以改變電機(jī)電流，故PWM分辨率決定了控制電機(jī)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(jī)電流漣波，圖2的示意圖說(shuō)明了PWM信號(hào)的分辨率和頻率對(duì)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?yàn)閮烧叩某朔e是對(duì)比于系統(tǒng)頻率，故高時(shí)鐘頻率可同時(shí)兼顧PWM分辨率與頻率，特別是在數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用上，因電機(jī)轉(zhuǎn)速快電流頻率高、電機(jī)線圈電感小，需要提供高頻、高解析的PWM電壓，方能使電機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖2 PWM信號(hào)產(chǎn)生與切換電流的關(guān)系
高主頻MCU運(yùn)算速度雖快，但若無(wú)高速存儲(chǔ)器配合，整體執(zhí)行效能會(huì)受限于Flash指令擷取速度，雖可將關(guān)鍵程序區(qū)段搬移至SRAM，但卻會(huì)減少可運(yùn)用的SRAM空間，且增加程序復(fù)雜度。AT32 MCU內(nèi)建Flash彈性映射功能，如圖3所示，MCU于啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)將映射區(qū)域的Flash資料搬移至ZW(zero wait-state)記憶區(qū)塊，最高可使用達(dá)512k byte零等待Flash。藉由Cortex-M4F內(nèi)核、288MHz高主頻與零等待Flash三者的完美配合，發(fā)揮MCU極致執(zhí)行效能。此外針對(duì)高性價(jià)比的MCU系列，雖未設(shè)計(jì)零等待Flash，但雅特力科技特別優(yōu)化其pre-fetch與catch buffer架構(gòu)與運(yùn)作機(jī)制，以確保在絕大部分執(zhí)行狀況下，等同于零等待Flash的執(zhí)行效能。
在電機(jī)控制應(yīng)用中，必須實(shí)時(shí)感測(cè)電機(jī)的電流狀態(tài)，以進(jìn)行高速電流環(huán)控制運(yùn)算，特別是在單電阻電流取樣時(shí)，須在極短時(shí)間內(nèi)(<1us)讀取電流回授信號(hào)以避開(kāi)噪聲，如圖4所示，以及在sensorless控制應(yīng)用，還需要實(shí)時(shí)感測(cè)DC BUS電壓或電機(jī)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(dá)5.33MHz的12-bit ADC，并擁有24個(gè)外部通道設(shè)計(jì)，足可提供電機(jī)控制相關(guān)的信號(hào)取樣需求。
32-bit分辨率的計(jì)數(shù)/捕捉定時(shí)器
在伺服控制器應(yīng)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(jiàn)的，因此MCU需要具有編碼器信號(hào)4倍頻功能的32-bit定時(shí)器。此外在使用霍爾元件感測(cè)轉(zhuǎn)子位置的低成本應(yīng)用上，在顧及低速的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，受限于16-bit捕捉定時(shí)器的計(jì)數(shù)范圍，必須將定時(shí)器計(jì)時(shí)的頻率適當(dāng)除頻，但如此一來(lái)便犧牲了電機(jī)高速時(shí)的速度分辨率。有鑒于此，AT32 MCU設(shè)計(jì)了兩組32-bit分辨率的計(jì)數(shù)/捕捉定時(shí)器，可滿足高階伺服控制器與低成本驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用需求。
用于輸出三相互補(bǔ)PWM信號(hào)的高級(jí)定時(shí)器，是MCU在電機(jī)控制應(yīng)用中不可或缺的單元。AT32 MCU設(shè)計(jì)了三組16-bit分辨率的高級(jí)定時(shí)器，搭配MCU的快速運(yùn)算能力與ADC快速取樣，可輕松實(shí)現(xiàn)三軸電機(jī)控制系統(tǒng)。
由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用于各種專業(yè)與生活領(lǐng)域，為滿足不同產(chǎn)品的通訊需求，其通訊界面也十分多樣。AT32 MCU內(nèi)建多組UART、CAN 、I2C、SPI與USB界面，可滿足大部分的產(chǎn)品通訊需求。其中AT32WB415系列更有采用低功耗(BLE)藍(lán)牙5.0，集成藍(lán)牙射頻(RF)收發(fā)器與基帶(baseband)功能所組成的無(wú)線通訊型MCU，為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供最佳方案。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所使用的MCU外圍眾多，又常需要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，運(yùn)用DMA通道進(jìn)行特定位置資料的實(shí)時(shí)更新是常用的辦法，然而因MCU外圍使用較多，無(wú)可避免會(huì)遇到DMA通道沖突的窘境，因此AT32 MCU設(shè)計(jì)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(qǐng)求通道指定到三個(gè)DMA控制器共22個(gè)通道中的任意一個(gè)通道，大大提升了應(yīng)用彈性與便利性。
AT32 MCU具有多重的芯片安全防護(hù)措施，包含絕對(duì)性的讀保護(hù)(RDP)、隨機(jī)數(shù)Flash燒錄，以及雅特力自行研發(fā)的sLib(security library)功能，可指定范圍以密碼保護(hù)特定程序區(qū)，例如上游方案商將核心算法保護(hù)后，可提供給下游客戶做二次程序開(kāi)發(fā)。對(duì)于外部擴(kuò)展SPI NOR Flash通過(guò)MCU燒錄此外擴(kuò)Flash時(shí)，該區(qū)段程序與資料會(huì)被芯片內(nèi)部硬件打亂數(shù)值加密，對(duì)MCU代碼做了全面性防護(hù)。
除了MCU性能與功能的考量外，價(jià)格也是MCU選型重要因素之一，AT32 MCU具有極強(qiáng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，全系列采用Cortex®-M4和M0+內(nèi)核，其中部分M4內(nèi)核產(chǎn)品價(jià)格可媲美M0+ MCU，為客戶設(shè)計(jì)出高性價(jià)比且優(yōu)質(zhì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品提供了可能性。
