• 雅特力AT32高性能MCU，驅動電機控制應用發展與創新

  2022-05-26 18:23:35

  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。

  

  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。
  

  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。

  

  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。

  

  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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