在世界環(huán)保趨勢與工業(yè)自動(dòng)化浪潮下，家電、商務(wù)、工業(yè)與醫療等領(lǐng)域紛紛開(kāi)始“技術(shù)變革”，高效能電機驅動(dòng)技術(shù)逐漸翻新傳統的各種驅動(dòng)應用。
高效能電機驅動(dòng)系統搭載高性能驅動(dòng)器，取代了低效率且低效能的傳統電機，包括許多內燃驅動(dòng)產(chǎn)品也紛紛電動(dòng)化，采用電機驅動(dòng)形式。在電機驅動(dòng)系統性能優(yōu)化上，除了電機本身特性外，驅動(dòng)器對于整體系統優(yōu)劣具有決定性的影響，MCU作為驅動(dòng)器的控制核心，成了高性能驅動(dòng)器設計的關(guān)鍵。
雅特力科技AT32工業(yè)級MCU使用高性能具浮點(diǎn)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(gè)12-bit 5.33Msps ADC、32-bit分辨率的計數/捕捉定時(shí)器、專(zhuān)利芯片代碼防護機制，以及超具競爭力的價(jià)格優(yōu)勢，特別適用于電機驅控應用，以下將詳細介紹AT32 MCU優(yōu)異的性能特點(diǎn)及在電機控制應用上的優(yōu)勢。
圖1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY
具浮點(diǎn)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(shí)的轉子磁極位置估測等等。AT32 MCU Cortex-M4F核心浮點(diǎn)運算可輕易實(shí)現這些算法，并具備高速運算與提高運算精度的能力。
天下武功，唯快不破。AT32 MCU工作主頻高達288MHz，領(lǐng)先業(yè)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(shí)鐘頻率同時(shí)也讓脈波寬度調變PWM體現出高分辨率的優(yōu)勢，由于驅動(dòng)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(shuō)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(shí)鐘頻率可同時(shí)兼顧PWM分辨率與頻率，特別是在數十萬(wàn)轉的電機驅動(dòng)應用上，因電機轉速快電流頻率高、電機線(xiàn)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。
圖2 PWM信號產(chǎn)生與切換電流的關(guān)系
高主頻MCU運算速度雖快，但若無(wú)高速存儲器配合，整體執行效能會(huì )受限于Flash指令擷取速度，雖可將關(guān)鍵程序區段搬移至SRAM，但卻會(huì )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(dòng)時(shí)，自動(dòng)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(fā)揮MCU極致執行效能。此外針對高性?xún)r(jià)比的MCU系列，雖未設計零等待Flash，但雅特力科技特別優(yōu)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。
在電機控制應用中，必須實(shí)時(shí)感測電機的電流狀態(tài)，以進(jìn)行高速電流環(huán)控制運算，特別是在單電阻電流取樣時(shí)，須在極短時(shí)間內(<1us)讀取電流回授信號以避開(kāi)噪聲，如圖4所示，以及在sensorless控制應用，還需要實(shí)時(shí)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(gè)外部通道設計，足可提供電機控制相關(guān)的信號取樣需求。
在伺服控制器應用中，為了滿(mǎn)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4倍頻功能的32-bit定時(shí)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(shí)器的計數范圍，必須將定時(shí)器計時(shí)的頻率適當除頻，但如此一來(lái)便犧牲了電機高速時(shí)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(shí)器，可滿(mǎn)足高階伺服控制器與低成本驅動(dòng)器的應用需求。
用于輸出三相互補PWM信號的高級定時(shí)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(shí)器，搭配MCU的快速運算能力與ADC快速取樣，可輕松實(shí)現三軸電機控制系統。
由于電機驅動(dòng)廣泛應用于各種專(zhuān)業(yè)與生活領(lǐng)域，為滿(mǎn)足不同產(chǎn)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(mǎn)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)藍牙5.0，集成藍牙射頻(RF)收發(fā)器與基帶(baseband)功能所組成的無(wú)線(xiàn)通訊型MCU，為各種物聯(lián)網(wǎng)應用提供最佳方案。
電機驅動(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(gè)DMA控制器共22個(gè)通道中的任意一個(gè)通道，大大提升了應用彈性與便利性。
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(fā)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(hù)做二次程序開(kāi)發(fā)。對于外部擴展SPI NOR Flash通過(guò)MCU燒錄此外擴Flash時(shí)，該區段程序與資料會(huì )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(jià)格也是MCU選型重要因素之一，AT32 MCU具有極強的價(jià)格競爭力，全系列采用Cortex®-M4和M0+內核，其中部分M4內核產(chǎn)品價(jià)格可媲美M0+ MCU，為客戶(hù)設計出高性?xún)r(jià)比且優(yōu)質(zhì)的電機驅動(dòng)產(chǎn)品提供了可能性。
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