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雅特力AT32高性能MCU 九大性能特點(diǎn)及在電機(jī)控制應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)

科技見聞網(wǎng) ? 來(lái)源:科技見聞網(wǎng) ? 作者:科技見聞網(wǎng) ? 2022-05-27 12:54 ? 次閱讀

在世界環(huán)保趨勢(shì)與工業(yè)自動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)逐漸翻新傳統(tǒng)的各種驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

高效能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載高性能驅(qū)動(dòng)器,取代了低效率且低效能的傳統(tǒng)電機(jī),包括許多內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品也紛紛電動(dòng)化,采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)化上,除了電機(jī)本身特性外,驅(qū)動(dòng)器對(duì)于整體系統(tǒng)優(yōu)劣具有決定性的影響,MCU作為驅(qū)動(dòng)器的控制核心,成了高性能驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

雅特力科技AT32工業(yè)級(jí)MCU使用高性能具浮點(diǎn)運(yùn)算指令的ARM? Cortex?-M4F內(nèi)核,工作頻率高達(dá)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(jì)數(shù)/捕捉定時(shí)器、專利芯片代碼防護(hù)機(jī)制,以及超具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格優(yōu)勢(shì),特別適用于電機(jī)驅(qū)控應(yīng)用,以下將詳細(xì)介紹AT32 MCU優(yōu)異的性能特點(diǎn)及在電機(jī)控制應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。

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圖1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

一、具浮點(diǎn)運(yùn)算指令A(yù)RM? Cortex?-M4F內(nèi)核

在電機(jī)矢量控制的應(yīng)用中,需要快速而精確的計(jì)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(shí)的轉(zhuǎn)子磁極位置估測(cè)等等。AT32 MCU Cortex-M4F核心浮點(diǎn)運(yùn)算可輕易實(shí)現(xiàn)這些算法,并具備高速運(yùn)算與提高運(yùn)算精度的能力。

二、288MHz高速主頻

天下武功,唯快不破。AT32 MCU工作主頻高達(dá)288MHz,領(lǐng)先業(yè)界其它同級(jí)MCU,搭配Cortex-M4F核心運(yùn)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(jì)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(yùn)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(diào)變PWM體現(xiàn)出高分辨率的優(yōu)勢(shì),由于驅(qū)動(dòng)器藉由脈波寬度調(diào)變輸出脈波電壓,以改變電機(jī)電流,故PWM分辨率決定了控制電機(jī)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(jī)電流漣波,圖2的示意圖說(shuō)明了PWM信號(hào)的分辨率和頻率對(duì)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?yàn)閮烧叩某朔e是對(duì)比于系統(tǒng)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(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用上,因電機(jī)轉(zhuǎn)速快電流頻率高、電機(jī)線圈電感小,需要提供高頻、高解析的PWM電壓,方能使電機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

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圖2 PWM信號(hào)產(chǎn)生與切換電流的關(guān)系

三、零等待Flash

高主頻MCU運(yùn)算速度雖快,但若無(wú)高速存儲(chǔ)器配合,整體執(zhí)行效能會(huì)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(huì)減少可運(yùn)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(dòng)時(shí),自動(dòng)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(dá)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(duì)高性價(jià)比的MCU系列,雖未設(shè)計(jì)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(yùn)作機(jī)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。

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圖3 零等待Flash映射區(qū)塊示意圖

四、高速12-bit ADC

在電機(jī)控制應(yīng)用中,必須實(shí)時(shí)感測(cè)電機(jī)的電流狀態(tài),以進(jìn)行高速電流環(huán)控制運(yùn)算,特別是在單電阻電流取樣時(shí),須在極短時(shí)間內(nèi)(<1us)讀取電流回授信號(hào)以避開噪聲,如圖4所示,以及在sensorless控制應(yīng)用,還需要實(shí)時(shí)感測(cè)DC BUS電壓或電機(jī)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(dá)5.33MHz的12-bit ADC,并擁有24個(gè)外部通道設(shè)計(jì),足可提供電機(jī)控制相關(guān)的信號(hào)取樣需求。

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圖4 單電阻電流取樣示意圖

五、32-bit分辨率的計(jì)數(shù)/捕捉定時(shí)器

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(hào)4倍頻功能的32-bit定時(shí)器。此外在使用霍爾元件感測(cè)轉(zhuǎn)子位置的低成本應(yīng)用上,在顧及低速的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下,受限于16-bit捕捉定時(shí)器的計(jì)數(shù)范圍,必須將定時(shí)器計(jì)時(shí)的頻率適當(dāng)除頻,但如此一來(lái)便犧牲了電機(jī)高速時(shí)的速度分辨率。有鑒于此,AT32 MCU設(shè)計(jì)了兩組32-bit分辨率的計(jì)數(shù)/捕捉定時(shí)器,可滿足高階伺服控制器與低成本驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用需求。

六、三組高級(jí)定時(shí)器

用于輸出三相互補(bǔ)PWM信號(hào)的高級(jí)定時(shí)器,是MCU在電機(jī)控制應(yīng)用中不可或缺的單元。AT32 MCU設(shè)計(jì)了三組16-bit分辨率的高級(jí)定時(shí)器,搭配MCU的快速運(yùn)算能力與ADC快速取樣,可輕松實(shí)現(xiàn)三軸電機(jī)控制系統(tǒng)。

七、通訊外圍支援

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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UARTCAN、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(lán)牙5.0,集成藍(lán)牙射頻RF收發(fā)器與基帶(baseband)功能所組成的無(wú)線通訊型MCU,為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供最佳方案。

八、彈性DMA通道映射

電機(jī)驅(qū)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(yùn)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(shè)計(jì)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(qǐng)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(yīng)用彈性與便利性。

九、專利芯片代碼防護(hù)機(jī)制

AT32 MCU具有多重的芯片安全防護(hù)措施,包含絕對(duì)性的讀保護(hù)(RDP)、隨機(jī)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(hù)特定程序區(qū),例如上游方案商將核心算法保護(hù)后,可提供給下游客戶做二次程序開發(fā)。對(duì)于外部擴(kuò)展SPI NOR Flash通過(guò)MCU燒錄此外擴(kuò)Flash時(shí),該區(qū)段程序與資料會(huì)被芯片內(nèi)部硬件打亂數(shù)值加密,對(duì)MCU代碼做了全面性防護(hù)。

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(qiáng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)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(jià)格可媲美M0+ MCU,為客戶設(shè)計(jì)出高性價(jià)比且優(yōu)質(zhì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品提供了可能性。

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