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MCU是目前市場(chǎng)主流的電機控制方案，適用于高、中、低端電機控制。通過(guò)內部集成的電機控制模塊，可簡(jiǎn)化客戶(hù)對于電機控制的開(kāi)發(fā);而相對于DSP較強的控制功能，能更好地實(shí)現電機的伺服控制和保護功能。 關(guān)于電機控制方案，DSP、MCU和FPGA各有其優(yōu)特點(diǎn)。DSP因為數據處理能力強、運算速度快，適用于高端復雜的電機系統控制，但它依賴(lài)于軟件算法的成熟度和穩定性，對開(kāi)發(fā)者的要求比較高。FPGA通過(guò)集成邏輯電路及專(zhuān)用電機驅動(dòng)電路，能夠很好地適用于客戶(hù)化的電機驅動(dòng)，但在電機控制的通用性方面略有不足。MCU通常側重于I/O接口的數量和可編程存儲器的大小，非常適用于有大量的I/O操作的場(chǎng)合，所以廣泛應用在低成本，低功耗和對精度要求不高的系統中。但由于本身處理能力有限，應用的場(chǎng)合受到了比較大的限制。 為了帶大家深入地了解市面上主流的電機控制方案，小編將從MCU，DSP，FPGA三個(gè)方向入手，盤(pán)點(diǎn)各大廠(chǎng)商推出的電機控制方案。本系列主要針對MCU領(lǐng)域，后續將會(huì )慢慢完善其它系列，敬請期待! MCU是目前市場(chǎng)主流的電機控制方案，適用于高、中、低端電機控制。通過(guò)內部集成的電機控制模塊，可簡(jiǎn)化客戶(hù)對于電機控制的開(kāi)發(fā);而相對于DSP較強的控制功能，能更好地實(shí)現電機的伺服控制和保護功能。目前，8位MCU主要用于電機控制的低成本，低性能場(chǎng)合，16位、32位MCU則用于中/高性能場(chǎng)合。 英飛凌針XMC1000 英飛凌針對中國市場(chǎng)推出全新XMC1000工業(yè)單片機，在電機控制領(lǐng)域擁有很高的性?xún)r(jià)比。XMC1000將ARM Cortex-M0內核與尖端的65nm制程技術(shù)結合在一起，克服了當今8位設計的限制，并使當前的8位用戶(hù)有機會(huì )享受32位性能，而無(wú)需在價(jià)格或易用性方面付出代價(jià)。 簡(jiǎn)介 XMC1000具有最具擴展性的閃存組合，容量從8KB- 200KB不等。XMC1000的三個(gè)不同系列涵蓋了眾多應用領(lǐng)域。XMC1100系列是XMC單片機的入門(mén)級選擇，該系列器件具有6個(gè)12位A/D轉換器通道(轉換速率高達1.88兆采樣/秒)、4個(gè)16位定時(shí)器(捕獲/比較單元4(CCU4))以及寬工作電壓范圍(1.8V-5.5V)。這些特性使XMC1000可適用于廣泛的工業(yè)應用領(lǐng)域。X MC1200系列具有面向LED照明和HMI設計的外設，包括一個(gè)電容觸控和LED顯示控制單元，一個(gè)BCCU。BCCU可在處理器幾乎不介入的情況下，對LED進(jìn)行無(wú)閃爍調光和顏色控制。該系列產(chǎn)品的工作溫度范圍為-40°C 到105°C。XMC1300系列可滿(mǎn)足電機控制或數字電源轉換應用的實(shí)時(shí)控制需求，它集成一個(gè)功能強大的捕獲/比較單元 CCU8(支持8對互補PWM生成和非對稱(chēng)PWM生成)，集成位置接口單元(POSIF)，支持精確的電機位置檢測。XMC1300系列還集成算術(shù)協(xié)處理器，支持無(wú)傳感器FOC(磁場(chǎng)定向控制)解決方案，提高電機運行效率。這是其他基于Cortex-M0的單片機產(chǎn)品所沒(méi)有的。XMC1300系列的工作溫度最高可達105°C 。 XMC1000家族成員特性表 功能框圖 XMC1000主要特性：32位ARM Cortex-M0(32MHz)內核，低端領(lǐng)域最具擴展性的閃存組合，容量從8KB- 200KB不等，適用于軟件IP保護的AES 128位安全加載器 ，專(zhuān)利的LED色彩控制引擎，領(lǐng)先的XMC混合信號和定時(shí)器外設，IEC 60730 class B標準兼容，面向觸控和LED顯示控制的外設，面向高端控制回路(CORDIC / DIVIDE)的64MHz算術(shù)協(xié)處理器，溫度范圍擴展至105°C。 單元模塊介紹 XMC1000的BCCU-亮度色彩控制單元 1 概述 BCCU是亮度色彩控制單元(Brightness and Color Control Unit)，用于控制多至9個(gè)不同的LED。 通過(guò)12bit的Delta Sigma反變換把亮度控制值轉換為比特流。這種結構使得BCCU還可以連接一個(gè)外部RC電路作為DAC使用。 XMC1000系列中，XMC1200和XMC1300帶有BCCU模塊 2 特性 1)包括3個(gè)獨立的Dimming Engine(亮度控制引擎) 2)Dimming Engine支持12位(4096)不同的亮度輸出 3)亮度按照指數曲線(xiàn)調節，且步長(cháng)可調 4)9個(gè)獨立的輸出通道，輸出比特流，可以控制9個(gè)不同的LED或作為DAC使用 5)通道可連接一個(gè)Linear Walker，它的輸出時(shí)LED的飽和度(Intensity)，支持12位調節 6)通道和Dimming Engine之間可自由連接 7)通道也可連接飽和度調節器和Dimming Engine輸出值的乘積 8)每個(gè)通道可連接一個(gè)Packer，當需要降低開(kāi)關(guān)頻率是可用到 9)有兩個(gè)通道可以連接ADC 3 通道結構 每個(gè)通道都是相同的結構，其中左側是通道的輸入(包括Dimming Engine和Linear Walker)，右側BCCU.OUTy是通道的輸出，從這個(gè)結構框圖可以看出BCCU通道的工作分為幾步 1)輸入的選擇和配置 2)輸入通過(guò)Delta Sigma轉換為比特流 3)比特流通過(guò)一個(gè)可選的Packer，某些LED或其驅動(dòng)芯片有最短開(kāi)通時(shí)間的限制，Packer可以用于類(lèi)似的需要降低開(kāi)關(guān)速度的情況。 4)外部使能是否輸出 5)同時(shí)Delta Sigma的輸出可以產(chǎn)生一個(gè)Tigger，用以出發(fā)ADC轉換等 通道的輸入可以有兩種，這可以通過(guò)修改寄存器DBP來(lái)選擇，其中Linear Walker的輸出為飽和度Intensity 1)Dimming Engine輸出和Linear Walker輸出的乘積 2)Linear Walker的直接輸出 XMC1000的隨機數生成單元PRNG 1 背景 PRNG(Preeudo Random Number Generator)是隨機碼生成模塊，可以產(chǎn)生8/16位隨機碼。 2 工作原理 1)框圖 2)工作原理 這個(gè)模塊通過(guò)向隨機數序列生成器寫(xiě)入Key，來(lái)產(chǎn)生8/16位的隨機數，其中隨機數序列的產(chǎn)生和Key是唯一對應的。隨機Key寫(xiě)入完畢后，可以讀出隨機序列，隨機Key寫(xiě)入和隨機序列讀出的位置都是PRNG_WORD，不過(guò)他們在不同的步驟中操作，所以不會(huì )產(chǎn)生沖突。 3)使用 a.首先設定KLD=1，進(jìn)入Key寫(xiě)入模式，寫(xiě)入隨機key，key可以是任意位數，推薦80位，分為5個(gè)16bit寫(xiě)入PRNG_WORD中。注意，只有當PRNG_CHK.RDV=1時(shí)，才能向PRNG_WORD中寫(xiě)入Key b.Key寫(xiě)完后，把KLD置為0。然后，當PRNG_CHK.RDV=1，可以從PRNG_WORD中讀出隨機序列。隨機序列可以為8、16位數據，這個(gè)通過(guò)PRNG_CHK.RDBS來(lái)控制。 c.若在隨機碼產(chǎn)生過(guò)程中把KLD置為1，則可繼續寫(xiě)入Key，新寫(xiě)入的Key會(huì )和之前的Key共同作用于隨機序列 d.通過(guò)RDBS置為00，可以重啟該模塊 e.若在重啟前，記錄隨機序列至少80位，重新作為key寫(xiě)入，則隨機序列會(huì )接著(zhù)上次的輸出繼續產(chǎn)生。 XMC1300的MATH協(xié)處理器 1 XMC1300芯片帶有一個(gè)MATH協(xié)處理器，它包含以下兩個(gè)子模塊 除法器和Cordic協(xié)處理器 2 除法器 特性：可做32位/32位，32位/16位，16位/16位除法 操作：除法器啟動(dòng)，啟動(dòng)方式有兩種，通過(guò)設定DIVCON.STMODE來(lái)選取， a. 當DIVCON.STMODE=0，寫(xiě)入DVS即啟動(dòng)除法 b. 當DIVCON.STMODE=1，寫(xiě)入DIVCON.ST位即啟動(dòng)除法 除法器忙，當除法器工作時(shí)，DIVST.BSY = 1，這時(shí)不要再試圖啟動(dòng)其他的除法，除法器需要35個(gè)周期結束，結束時(shí)可選擇產(chǎn)生中斷，并會(huì )出現結果置位，這個(gè)結果置位需要手動(dòng)清除。 3 Cordic協(xié)處理器 Cordic協(xié)處理器可進(jìn)行三角函數、雙曲線(xiàn)函數和一次線(xiàn)性函數，其中函數模式通過(guò)CON.MODE來(lái)選擇。 計算模式包括向量模式和旋轉模式，通過(guò)CON.ROTVEC來(lái)選擇，特性：24位精度，Circula模式 旋轉模式 輸入X，Y，Z 輸出X= K*[X*cos(Z)-Y*sin(Z)]/MPS，Y= K*[Y*cos(Z)+X*sin(Z)]/MPS，Z=0，其中K=1.646760258121 向量模式 輸入X，Y，Z，輸出X= K*sqrt(X^2+Y^2)/MPS，Y= 0，Z=Z+atan(Y/X) 主要應用：計算sin(z)，cos(z)，tan(z)，ctg(z)等 雙曲線(xiàn)模式 - 旋轉模式 輸入X，Y，Z，輸出X=k[Xcosh(Z)+Ysinh(Z)]/MPS，Y= k[Ycosh(Z)+Xsinh(Z)]/MPS，Z=0 -向量模式 輸入X，Y，Z，輸出X=k*sqrt(X^2-Y^2)/MPS，Y= 0，Z=Z+atanh(Y/X)，其中k = 0.828159360960 主要應用，計算sinh(Z)，cosh(Z)，tanh(Z)，ctgh(Z)等，同時(shí)可以計算ln(w)，sqrt(W)，acosh(w)，asinh(W)等 一次線(xiàn)性模式 輸入X，Y，Z，輸出X=X/MPS，Y=[Y+X*Z]/MPS，Z=0 -向量模式 輸入X，Y，Z 輸出X=X/MPS，Y= 0，Z=Z+Y/X 4 除法器和Cordic的互聯(lián) 除法器的輸入可以由除法器的結果或Cordic的結果直接輸入，這樣構成了除法器和Cordic的級聯(lián)。 比如計算tan(z)，可以直接把Cordic的輸出sin(z)連接到DVD，cos(z)連接到DVS，這樣就可以得到tan(z)。 XMC1000的中斷控制器 1 概述 XMC1000系列的中斷處理器包括32個(gè)中斷處理節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)支持4級中斷優(yōu)先級，支持尾鏈(tail-chaining )，支持軟中斷。 2 中斷對應表格，可查相應數據手冊活產(chǎn)品手冊 3 中斷功能 由以上框圖可以看出，對應于每個(gè)中斷，都可以由外部或軟件觸發(fā)產(chǎn)生，不過(guò)每個(gè)中斷又需要單獨使能才能最終進(jìn)入中斷處理。同時(shí)中斷也可以被軟件清除，或者當進(jìn)入中斷處理后，硬件會(huì )自動(dòng)清除。另外要注意的是，當硬件中斷和軟件清除同時(shí)到來(lái)，軟件清除會(huì )被系統忽略，即硬件中斷置位優(yōu)先級高。從中斷觸發(fā)到進(jìn)入中斷處理程序，一般要花費21個(gè)系統周期。注：尾鏈技術(shù)(Tail-Chain)這個(gè)技術(shù)是ARM推出的可以減小中斷等待時(shí)間的技術(shù)。 一般情況下的中斷處理，需要先保存堆棧，再出棧，如果中途有新的更高優(yōu)先級的中斷，則需要重新做上一步驟。如果使用了尾鏈技術(shù)，則第二個(gè)中斷到來(lái)時(shí)候，不需要重復保存堆棧，再出棧的過(guò)程。 XMC1000電機應用相關(guān)外設集 PWM - CCU4，多功能16位定時(shí)器組，4個(gè)完全相同、獨立運行的子單元 實(shí)現功能(部分)：通用16位定時(shí)器，獨立的16位PWM生成，外部信號捕獲(周期，占空比)， 計數功能：與其他外設配合工作，與ADC配合，觸發(fā)延時(shí)電流采樣，與POSIF配合，實(shí)現轉速、位置計算：霍爾傳感器，增量式編碼器，與比較器配合，實(shí)現外部事件觸發(fā) PWM - CCU8 PWM生成(PFC)，CCU8 = CCU4++，集成CCU4所有功能，8對互補PWM輸出(獨立死區)，支持常見(jiàn)的各種電機拓撲PWM生成，半橋、全橋、三相全橋、三電平控制等，支持移相PWM：?jiǎn)文妇�(xiàn)電阻電流采樣，與POSIF配合，實(shí)現BLDC控制，硬件觸發(fā)ADC采樣，ADC & 比較器，三路獨立、高速比較器單元，3mV 輸入偏置電壓，30ns傳輸延時(shí)，可觸發(fā)PWM， A/D操作，回差可調：0mV，15mV，20mV，位置接口單元 - POSIF，增量編碼器，霍爾傳感器，多通道模式(BLDC 相關(guān))。 應用：與CCU4配合進(jìn)行位置、速度的檢測，與CCU8配合進(jìn)行直流無(wú)刷電機控制，位置接口單元 - 旋轉變壓器接口(DSD)。 旋轉變壓器：環(huán)境不敏感，系統成本較高、精度受限。 應用領(lǐng)域：伺服控制系統，汽車(chē)、電力、冶金等。 通訊接口 XMC1000通用的應用領(lǐng)域 LED 照明;適合領(lǐng)域：LED 路燈，彩色LED控制，亮度控制等;應用優(yōu)勢：無(wú)閃爍調光及色彩控制，僅需極少CPU負荷，即可實(shí)現調光，通信接口支持網(wǎng)絡(luò )連接。 數字電源轉換：傳感器、執行器、通用應用;適合領(lǐng)域：低端工業(yè)、消費類(lèi)應用，現有8位微控制器的相關(guān)應用;應用優(yōu)勢：通用、強大，小封裝、大Flash， 大RAM XMC1000應用在電機控制領(lǐng)域(支持簡(jiǎn)單控制至無(wú)傳感器FOC)： 支持各種電機應用：風(fēng)機，水泵，家電，電動(dòng)自行車(chē)等 電機類(lèi)型：直流有刷電機，直流無(wú)刷電機，永磁同步電機 控制算法：梯形波控制，簡(jiǎn)單正弦波控制，磁場(chǎng)定向控制(FOC) XMC1000的兩個(gè)電機控制應用實(shí)例 電動(dòng)自行車(chē)(Ebike)控制器 - 雙模FOC控制 XMC1300雙模FOC方案 電動(dòng)自行車(chē)發(fā)展 功能列表 結構框圖 航�？刂破� - 高速無(wú)感BLDC控制 航模BLDC特點(diǎn)：體積小，重量輕，轉速高(幾千K/V或更高)，業(yè)內最高速度(21，0000RPM/1對極)，無(wú)Hall傳感器，減少線(xiàn)材，避免潛在故障點(diǎn)，寬電壓范圍工作(電池供電)。 對MCU的要求：最好內置比較器實(shí)現過(guò)零點(diǎn)檢出，盡量硬件實(shí)現換相檢測，減少CPU占用，端電壓分壓后不濾波直接處理，避免RC延時(shí)的影響。 XMC1300航�？刂破鱀emo介紹 實(shí)物圖 結構框圖 -內置三個(gè)高速比較器，無(wú)須輸入信號切換 -POSIF單元處理比較器信號，實(shí)現硬件換相 -CCU4配合POSIF實(shí)現濾除開(kāi)關(guān)毛刺和續流尖峰處理、換相延時(shí)。 |
