面向高效能應用的電機控制主控芯片及解決方案

電機作為最主要的機電能源轉換裝置，其應用范圍已遍布全球國民經濟的各個領域，無論是在人們日常生活中使用的白色家電等家用電器，還是無人飛行器等消費電子產品，以及各類機器人等工業(yè)控制產品等方面，都有著極為廣泛的應用。在我國供應的電能中有近60%是用于電機運轉而消耗，因此降低電機能耗可以有效地提高能源利用率。目前電機也由早期的交流電機轉向使用直流無刷電機（BLDC）以提高能效利用率，高效節(jié)能是整個電機行業(yè)的發(fā)展趨勢。

基于MCU控制的無刷直流電機消除了刷子磨損和弧形機構，該技術使電機具有更高的效率，更高的轉矩-慣量比，更高的速度性能，更低的噪聲，更好的熱效率和低EMI特性。從而使電機在更低成本下可以更為高效的穩(wěn)定可靠運行，并從整體上降低了整機成本。

圖1.MCU控制的電機典型結構

國民技術高效電機控制系列產品Roadmap

針對電機控制應用市場，國民技術有針對性的規(guī)劃了系列化的芯片產品和解決方案，覆蓋高、中、低電機市場應用，具有如下特色和優(yōu)勢：

1. 具備高性能32位處理器內核，支持硬件乘除法運算，浮點運算，DSP運算指令，實現(xiàn)硬件級高效、快速、準確的指令控制。

2. 提供多路高速PWM定時器、模數(shù)轉換器（ADC），基于單MCU芯片可實現(xiàn)多個電機的無傳感器控制，同時對于有感電機支持編碼器輸入接口。

3. 芯片內置專用比較器（COMP）和運算放大器（OPAMP），支持內置可編程增益放大模式（PGA），簡化了整機電路系統(tǒng)設計，縮小板內空間、降低成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4. 內置MOS驅動器，支持高壓輸入（僅M系列和部分型號支持）

圖2.國民技術電機控制MCU Roadmap

基于N32G455系列MCU的一拖多電機控制解決方案

N32G455系列芯片為已發(fā)布的通用增強型處理器，支持FPU及DSP高速的處理能力、集成4個獨立的12bitADC、內置4個獨立的運算放大器和7個高速模擬比較器，適用于單芯片控制多電機的應用。同時，為了加快用戶開發(fā)，縮短客戶產品上市時間，國民技術提供了包括各類電機控制底層算法、評估板和相關開發(fā)文檔等全套用戶級開發(fā)套件和應用指導，開發(fā)套件囊括了從基本的直流無刷（BLDC），到用于高級無傳感器定向控制（FOC）、以及有傳感器控制等種類齊全的電機解決方案。支持有刷直流電機、步進電機、BLDC、永磁同步電機、交流感應電機和開關磁阻電機等多種電機類型。

N32G455電機系列在應用中，具有如下基礎性底層技術優(yōu)勢，革新行業(yè)技術演進路線：

1.高達4個獨立的具有5Msps高速采樣速率的12位模數(shù)轉換器（ADC），實現(xiàn)單芯片FOC控制兩個甚至四個BLDC電機，極大降低多電機應用中的成本控制。

2.硬件級電機控制脈寬調制，最小脈寬低至6.9ns，具有更高的電機控制精度，實現(xiàn)電機精確調教和穩(wěn)定運行。

3.片內集成模擬運算放大器、模擬比較器及12位數(shù)模轉換器（DAC），更高的集成度可提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，并進一步降低BOM成本。

4.片內緊密耦合存儲器，實現(xiàn)快速的存儲器訪問和調度。

5.內置10余種密碼算法硬件加速引擎，提供硬件級的程序Flash分區(qū)保護機制，可實現(xiàn)對核心算法的分區(qū)存儲和加密保護、核心代碼分區(qū)訪問、程序的安全啟動等有關知識產權的保護措施，實現(xiàn)零附加成本防抄板、防篡改、防竊取。

基于用戶級簡單易用的電機解決方案開發(fā)套件

基于N32G455系列芯片的電機控制開發(fā)套件，提供完整的電機控制算法庫，支持包括MRAS在內的多種無感算法、基于正交編碼的位置環(huán)控制，支持單電阻、雙電阻電流采樣控制，支持BLDC、FOC混合應用，支持完全獨立的雙電機、四電機應用，支持全參數(shù)的數(shù)據(jù)觀測和參數(shù)配置，支持代碼自動生成的開發(fā)流程。

圖3.電機控制算法庫模塊架構

功能齊全的用戶級評估板

為方便用戶評估，國民技術提供基于N32G455控制芯片的電機評估板，該評估板由相互分離的驅動板（包含雙電阻雙FOC驅動板、單電阻雙FOC驅動板）和控制板組成，用戶可以自由組合出相應的電機驗證平臺，該開發(fā)套件支持無感FOC應用評估、HALL位置檢測FOC應用評估、編碼器位置檢測FOC應用評估。

圖4. 雙電阻雙FOC評估板

圖5.單電阻雙FOC評估板

基于N32G455系列增強型微控制器的優(yōu)異特性

N32G455系列采用32bit ARM Cortex-M4F內核、集成最大容量512KB Flash，144KB SRAM，集成多達17個高性能模擬器件，18個數(shù)字通訊接口，內置10余種密碼算法硬件加速引擎，支持存儲加密、用戶分區(qū)保護、安全啟動等多種安全特性，可廣泛應用于白色家電、手持云臺、無人飛行器、機器人、數(shù)字電源、UPS、伺服控制器等應用領域。

圖6.N32G455系列型號資源配置表

N32G455系列MCU芯片已量產，為了協(xié)助客戶加快產品市場部署，國民技術可面向客戶、分銷商工程師提供門類齊全的應用培訓。