雅特力AT32高性能MCU,驅動電機控制應用發展與創新

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新竹2022年6月15日 /美通社/ — 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,採用電機驅動形式。在電機驅動系統性能優化上,除了電機本身特性外,驅動器對於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、512KB零等待(Zero wait-state) Flash、3個12-bit 5.33Msps ADC、32-bit解析度的計數/捕捉計時器、專利晶片代碼防護機制,以及超具競爭力的價格優勢,特別適用於電機驅動控制應用見圖1,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
圖1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

一、 具浮點運算指令ARM® Cortex®-M4F內核

在電機向量控制的應用中,需要快速而精確的計算能力,如電壓/電流向量的座標轉換、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演算法,並具備高速運算與提高運算精度的能力。

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,具有快速高效的演算法能力。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/位置等控制迴路計算,AT32 MCU都能輕鬆勝任遊刃有餘,並可保留MCU執行餘裕提供其它協助工具程式運作,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體現出高解析度的優勢,由於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解析度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,並減少電機電流漣波,圖2的示意圖說明了PWM訊號的解析度和頻率對電流的影響。

但在相同頻率下,PWM解析度越高則PWM頻率越低,因為兩者的乘積是對比於系統頻率,故高時鐘頻率可同時兼顧PWM解析度與頻率,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係
圖2 PWM信號產生與切換電流的關係

三、 零等待Flash

高主頻MCU運算速度雖快,但若無高速記憶體配合,整體執行效能會受限於Flash指令擷取速度,雖可將關鍵程式區段搬移至SRAM,但卻會減少可運用的SRAM空間,且增加程式複雜度。AT32 MCU內建Flash彈性映射功能,如圖3所示,MCU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,等同於零等待Flash的執行效能。

圖3 零等待Flash映射區塊示意圖
圖3 零等待Flash映射區塊示意圖

四、高速12-bit ADC

在電機控制應用中,必須即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)讀取電流回授訊號以避開雜訊,如圖4所示,以及在sensorless控制應用,還需要即時感測DC BUS電壓或電機端電壓,因此需要高速ADC週邊支援。此外為精確獲取高解析的電流與電壓資訊,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,並擁有24個外部通道設計,足可提供電機控制相關的訊號取樣需求。

圖4 單電阻電流取樣示意圖
圖4 單電阻電流取樣示意圖

五、32-bit解析度的計數/捕捉計時器

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需要具有編碼器訊號4倍頻功能的32-bit計時器。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,受限於16-bit捕捉計時器的計數範圍,必須將計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解析度。有鑑於此,AT32 MCU設計了兩組32-bit解析度的計數/捕捉計時器,可滿足高階伺服控制器與低成本驅動器的應用需求。

六、三組高級計時器

用於輸出三相互補PWM訊號的高級計時器,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解析度的高級計時器,搭配MCU的快速運算能力與ADC快速取樣,可輕鬆實現三軸電機控制系統。

七、通訊週邊支援

由於電機驅動廣泛應用於各種專業與生活領域,為滿足不同產品的通訊需求,其通訊介面也十分多樣。AT32 MCU內建多組UART、CAN 、I2C、SPI與USB介面,可滿足大部分的產品通訊需求。其中AT32WB415系列更有採用低功耗(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。

八、彈性DMA通道映射

電機驅動器所使用的MCU週邊眾多,又常需要進行即時處理,運用DMA通道進行特定位置資料的即時更新是常用的辦法,然而因MCU週邊使用較多,無可避免會遇到DMA通道衝突的窘境,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,可以將某週邊的DMA請求通道指定到3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。

九、專利晶片代碼防護機制

AT32 MCU具有多重的晶片安全防護措施,包含絕對性的讀保護(RDP)、亂數Flash燒錄,以及雅特力自行研發的sLib(security library)功能,可指定範圍以密碼保護特定程式區,例如上游方案商將核心演算法保護後,可提供給下游客戶做二次程式開發。對於外部擴展SPI NOR Flash通過MCU燒錄此外擴Flash時,該區段程式與資料會被晶片內部硬體打亂數值加密,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,全系列採用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。