雅特力AT32高性能MCU，驅(qū)動電機控制應(yīng)用發(fā)展與創(chuàng)新
在世界環(huán)保趨勢與工業(yè)自動化浪潮下，家電、商務(wù)、工業(yè)與醫(yī)療等領(lǐng)域紛紛開始“技術(shù)變革”，高效能電機驅(qū)動技術(shù)逐漸翻新傳統(tǒng)的各種驅(qū)動應(yīng)用。
高效能電機驅(qū)動系統(tǒng)搭載高性能驅(qū)動器，取代了低效率且低效能的傳統(tǒng)電機，包括許多內(nèi)燃驅(qū)動產(chǎn)品也紛紛電動化，采用電機驅(qū)動形式。在電機驅(qū)動系統(tǒng)性能優(yōu)化上，除了電機本身特性外，驅(qū)動器對于整體系統(tǒng)優(yōu)劣具有決定性的影響，MCU作為驅(qū)動器的控制核心，成了高性能驅(qū)動器設(shè)計的關(guān)鍵。
雅特力科技AT32工業(yè)級MCU使用高性能具浮點運算指令的ARM® Cortex®-M4F內(nèi)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(shù)/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(yōu)勢，特別適用于電機驅(qū)控應(yīng)用，以下將詳細(xì)介紹AT32 MCU優(yōu)異的性能特點及在電機控制應(yīng)用上的優(yōu)勢。
圖1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY
具浮點運算指令A(yù)RM® Cortex®-M4F內(nèi)核
在電機矢量控制的應(yīng)用中，需要快速而精確的計算能力，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控制時的轉(zhuǎn)子磁極位置估測等等。AT32 MCU Cortex-M4F核心浮點運算可輕易實現(xiàn)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(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作，例如通訊功能等等。
高速時鐘頻率同時也讓脈波寬度調(diào)變PWM體現(xiàn)出高分辨率的優(yōu)勢，由于驅(qū)動器藉由脈波寬度調(diào)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(tǒng)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(shù)十萬轉(zhuǎn)的電機驅(qū)動應(yīng)用上，因電機轉(zhuǎn)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(wěn)定運轉(zhuǎn)。
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，但若無高速存儲器配合，整體執(zhí)行效能會受限于Flash指令擷取速度，雖可將關(guān)鍵程序區(qū)段搬移至SRAM，但卻會減少可運用的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于啟動時，自動將映射區(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。此外針對高性價比的MCU系列，雖未設(shè)計零等待Flash，但雅特力科技特別優(yōu)化其pre-fetch與catch buffer架構(gòu)與運作機制，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。
在電機控制應(yīng)用中，必須實時感測電機的電流狀態(tài)，以進行高速電流環(huán)控制運算，特別是在單電阻電流取樣時，須在極短時間內(nèi)(<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(yīng)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(shè)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(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(zhuǎn)子位置的低成本應(yīng)用上，在顧及低速的運轉(zhuǎn)條件下，受限于16-bit捕捉定時器的計數(shù)范圍，必須將定時器計時的頻率適當(dāng)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(shè)計了兩組32-bit分辨率的計數(shù)/捕捉定時器，可滿足高階伺服控制器與低成本驅(qū)動器的應(yīng)用需求。
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(yīng)用中不可或缺的單元。AT32 MCU設(shè)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(xiàn)三軸電機控制系統(tǒng)。
由于電機驅(qū)動廣泛應(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)功能所組成的無線通訊型MCU，為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供最佳方案。
電機驅(qū)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(shè)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(yīng)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(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特定程序區(qū)，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(fā)。對于外部擴展SPI NOR Flash通過MCU燒錄此外擴Flash時，該區(qū)段程序與資料會被芯片內(nèi)部硬件打亂數(shù)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(nèi)核，其中部分M4內(nèi)核產(chǎn)品價格可媲美M0+ MCU，為客戶設(shè)計出高性價比且優(yōu)質(zhì)的電機驅(qū)動產(chǎn)品提供了可能性。
