CN104898521B

CN104898521B - 一种用于电机控制的微控制器

Info

Publication number: CN104898521B
Application number: CN201510268646.2A
Authority: CN
Inventors: 杨维; 张文荣; 陆健; 王鹏; 王成; 徐学良
Original assignee: SHANGHAI SINOMCU MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI SINOMCU MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: CN104898521A

Abstract

本发明公开一种用于电机磁场定向控制的微控制器，包括：一处理器，一存储单元、一时钟生成单元、一数学协处理器、一可编程模拟放大器单元、一模数转换器以及总线单元，该处理器、存储单元、时钟生成单元、数学协处理器、可编程模拟放大器单元以及该模数转换器均通过该总线单元连接。

Description

一种用于电机控制的微控制器

技术领域

本发明涉及一种电机控制技术领域，尤其涉及一种用于电机磁场定向矢量控制的微控制器。

背景技术

近些年来永磁同步电机(PMSM)与无刷直流电机(BLDC)广泛应用于工业系统、电动车、无人机、空调、风机等各种领域，而在该类电机的控制系统中其主控芯片主要有DSP、FPGA、MCU、ASIC四类。由于MCU芯片具有软件可编程、开发容易、控制灵活、成本低等优点，因此被广泛应用于PMSM与BLDC的控制系统中。根据调查数据显示，2013年全球电机控制MCU芯片的市场规模达到100亿美元，预计今后2年还会以10％的速度增长。根据应用领域不同，BLDC基于MCU芯片的控制方案有方波控制方案与磁场定向(FOC)算法控制方案，不同的控制方案所需要的芯片资源有所不同。PMSM的控制方案主要采用的是磁场定向控制(FOC)算法。

磁场定向控制(FOC)又称为矢量控制，是通过控制变频器输出电压的幅值和频率来控制三相电机的一种变频驱动控制方法，FOC算法是目前电机控制领域应用最为广泛的一种算法。FOC算法的结构框图如图4所示，在算法中需要同时采集三相线圈中的两相线圈的电流Iu、Iv，然后Iu、Iv经过运算放大器方法后送向ADC进行转换，根据转换的结果再计算出另外一相线圈的电流Iw。在FOC算法中，进行Park正反变换与Clark变换时需要计算三角函数。

在目前的电机控制领域，用户在电机控制系统中所选用的MCU、DSP等主控芯片主要由国外各大半导体厂商提供。这些半导体厂商提供的芯片不仅可以应用在电机控制领域，还可以用在家用电器、电表、LED控制等各领域，由于应用领域的广泛导致芯片内部的资源过于丰富，芯片成本增加。并且这些半导体厂商提供的芯片没有针对电机控制的应用做特定的优化，用户使用起来不方便。

有鉴于此，现有技术亟需要一种针对电机控制的高精度、多任务的微控制器。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种针对电机控制的高精度、多任务以及高实时性的微控制器。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于电机控制的微控制器，其特征在于，包括：一处理器，一存储单元、一时钟生成单元、一数学协处理器、一可编程模拟放大器单元、一模数转换器以及总线单元，该处理器、存储单元、时钟生成单元、数学协处理器、可编程模拟放大器单元以及该模数转换器均通过该总线单元连接。

更进一步地，该数学协处理器用于执行除法运算和/或三角函数运算，该数学协处理器包括一运算内核，该运算内核的时钟频率是处理器的时钟频率的2倍。

更进一步地，该运算内核包括一CORDIC运算模块以及一除法器运算模块。

更进一步地，该可编程模拟放大器单元包括两个单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器以及一单端输入的可编程模拟放大器，该单端输入的可编程模拟放大器用于对电机控制系统中的逆变器的母线小信号电压进行放大。

更进一步地，该单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器包括一正端输入和一负端输入，在该双端输入模式下，该正端输入和负端输入均有效，并对该正端输入和该负端输入的差值信号进行放大；在该单端输入模式下，该正端输入和负端输入仅一个有效，并对该有效的信号进行放大。

更进一步地，该模数转换器用于在同一时刻采集该电机的三相线圈电压中的两相线圈电压。

更进一步地，该模数转换器包括：第一采样保持电路，用于采集并保持第一模拟信号；第二采样保持电路，用于采集第二模拟信号；以及一模数转换电路，该第一采样保持电路和第二采样保持电路均与该模数转换电路连接，该模数转换电路依次转换该第一模拟信号和第二模拟信号。

更进一步地，该可编程模拟放大器单元与该模数转换器连接，该第一模拟信号和第二模拟信号为该可编程模拟放大器单元的输出信号，该第一模拟信号和该第二模拟信号分别是第一、第二单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器的输出信号。

更进一步地，该总线单元包括一高速总线以及一低速总线，该高速总线与低速总线通过一桥接器连接。

更进一步地，该处理器、存储单元、时钟生成单元以及数学协处理器与该高速总线连接，该可编程模拟放大器单元以及模数转换器通过该低速总线连接。

更进一步地，该单端输入的可编程模拟放大器用于对该电机的三相逆变桥中对地的母线小信号电压进行放大，该放大后的母线小信号电压经一比较器比较后实现过流检测。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

第一、本芯片中的数学协处理器(MATH)是采用硬件电路来实现三角函数与除法运算，其运算速度是现有芯片软件实现该类运算的100倍，更快的运算速度可使芯片的控制实时性更好、响应速度更快，同时由于处理器(CPU)不参与上述运算(现有芯片的三角函数与除法运算是用户开发软件程序由CPU执行运算来完成的)，它可以在MATH运算时执行其他的功能，这又使得微控制器可以处理更多的任务。因此，使用本发明所提供的微控制器的电机运转过程将更加平稳、噪音更低；并且能更快地对外部的控制信号作出实时的响应变化。

第二、在数学协处理器(MATH)的实现方案中，运算内核的时钟频率可以是处理器的时钟频率的2倍，这个关于时钟的创新可使的MATH协处理器的运算速度更快。

第三、两个单端输入或双端输入可选的可编程模拟放大器(PGA1/2)可以满足用户对不同模拟信号的放大选择，在电机控制的应用中有时只需要对差模信号进行放大，因此选择PGA1/2的双端输入可有效的、准确的放大该差模信号，从而避免放大无用的共模信号，当需要放大原始的模拟信号时就选择单端输入的PGA1/2。PGA(普通的可编程模拟放大器)用来检测电机控制系统中的三相逆变桥的母线小信号电压，与模拟比较器(COMP1)一起实现对三相逆变桥的过流检测。

第四、模数转换器(ADC)的双采样保持功能可实现在同一时刻完成对电机三相线圈(Va,Vb,Vc)中的两相电压的采样(另外一相电压值通过计算可以得出)，最后三相线圈电压的转换结果是属于同一时刻的值，这个创新对磁场定向控制(FOC)算法的实现非常有益；同时ADC的转换速度大于1Msps，这样高速的ADC可以与高速的CPU配合完美的完成电机控制。

第五、本发明所提供的技术方案除了用作电机控制的微控制器，还可以用在智能照明系统中的LED调光调色，由于芯片的时钟频率高，输出的PWM波具有16位精度，因此用该芯片可以使LED的光谱范围更加广泛，并且LED的灯光抖动更小。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所提供的电机控制MCU芯片的结构框图；

图2是本发明所提供的电机控制MCU芯片的MATH模块的结构示意图；

图3是本发明所提供的电机控制MCU芯片的ADC模块、PGA模块、COM1的结构示意图；

图4是磁场定向控制(FOC)算法的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明的目的在于提供一种尤其适用于电机磁场定向矢量控制方案的MCU芯片，该芯片具有更高的控制精度、更高的控制实时性、控制算法对芯片CPU的运行占用率更低从而使芯片CPU的多任务处理能力增强。

该MCU芯片包括：一处理器，一存储单元、一时钟生成单元、一数学协处理器、一可编程模拟放大器单元、一模数转换器以及总线单元，该处理器单元、存储单元、时钟生成单元、数学协处理器、可编程模拟放大器以及该模数转换器均通过该总线单元连接。

以下将结合图1至图3对本发明所提供的电机控制MCU芯片进行详细的说明。如图1所示，芯片的内部资源包括：一32位的ARM Cortex-M0内核(Cortex-M0)1；一FLASH程序存储器(FLASH)2；一FLASH程序存储器控制器(Flash Controler)3；一RAM数据存储器(RAM)4；一系统时钟生成单元(Clock_gen)5；一数学协处理器(MATH)6；一看门狗定时器(Watch DogTimer)7；一电机控制单元(MCM)8；一3个通用定时器(Timer1/2/3)9；一高速模数转换器(ADC)24；一高速模数转换器控制器(ADC Controler)16；一3个单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器(PGA1/2)10；一普通的单端输入可编程模拟放大器(PGA)11；一高速模拟比较器(COMP1)12；一串行通信单元(I2C)13；一串行通信单元(UART)14；一串行通信单元(SPI)15；一AMBA总线APB桥接器(APB Bridge)17；一4组GPIO口(GPIO P0-P3)18，共32个；一温度传感器(Temperature Sensor)27；一芯片引脚控制单元(PAD Control)26；一上电复位(POR)与低电压复位(LVR)单元25；一线性稳压单元(LDO 2.5V-5.5V)23；一内部低频RC时钟振荡器(LRC)20；一内部高频RC时钟振荡器(HRC)21、一外部晶体时钟生成单元(OSC)22；一高频时钟锁相环(PLL)19。

本发明以32位的ARM Cortex-M0内核作为处理器1加以说明，但是本领域普通技术人员应该知道，基于本发明所公开的思想，该技术方案并不局限于32位处理器。32位MCU芯片是一颗基于AMBA总线设计的系统芯片，芯片内部的所有数字IP都是挂接在AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)总线之上。

AHB(高速)总线与APB(低速)总线通过桥接器APB-Bridge17相连。内部高频RC时钟振荡器(HRC)21和外部晶体时钟生成单元(OSC)22的输出与高频锁相环(PLL)19相连，它们的输出送给PLL19进行倍频。本实施例中，HRC21的输出频率为8MHz，精度高达1％，OSC22为外部8-24MHz的晶振输入。

高频锁相环(PLL)19用于对来自HRC或OSC的时钟信号进行倍频，高频锁相环(PLL)19的输出送向时钟生成单元(Clock_gen)。本实施例中，高频锁相环(PLL)19的输出频率最低为48MHz，最高可达120MHz，倍频系数通过寄存器可选，例如PLL的输入为8MHz,倍频系数选择为8，则高频锁相环(PLL)19的输出时钟频率为64MHz。

内部低频RC时钟振荡器(LRC)20为看门狗定时器时钟的时钟源，输出送向时钟生成单元(Clock_gen)5。本实施例中，LRC的时钟频率为32KHz。

系统时钟生成单元(Clock_gen)5用于根据PLL19的输出时钟产生芯片的主时钟HCLK、外设时钟PCLK，根据LRC20的输出产生看门狗时钟WDTCLK，并根据HCLK与PCLK产生其他各外设模块的工作时钟。系统时钟生成单元(Clock_gen)5挂接在AHB总线上。

数学协处理器(MATH)6用于执行32位的有符号或无符号数的除法运算与正弦、余弦、正切等三角函数的运算。MATH的运算内核PCLK的时钟频率可以选择为接口时钟HCLK的频率的2倍。本实施例中，一个32位除法的运算周期为16个PCLK(8个HCLK)，运算结束后产生结果中断且结果有效标志位置位。CORDIC算法采用迭代的方式实现，同样具有结果中断、结果有效标志，运算繁忙标志等功能。数学协处理器(MATH)挂接在AHB总线上。

如图2所示，图2是数学协处理器(MATH)6的结构示意图。该数学协处理器6包括一运算器单元和一接口模块。其中运算器单元包括一DIV(除法)内核61以及一CORDIC内核62。该接口模块包括DIV寄存器63、全局寄存器64以及CORDIC寄存器65。其中全局寄存器64为整个MATH的控制寄存器，存放对应的控制数据，CORDIC寄存器65用于存放运算时输入的角度值与运算的结果，DIV寄存器63用于存放除数、被除数、商、余数等除法运算数据。

看门狗定时器7(Watch Dog Timer)用于作为芯片正常工作时的一个保护模块。若用户使用看门狗定时器7，当芯片正常工作时，程序会定时的对看门狗计数器进行清零，若系统出现故障或程序跑飞，看门狗计数器7会计数溢出，看门狗定时器7产生系统复位，整个芯片将重新开始工作，从而实现对系统的保护。看门狗定时器7(Watch Dog Timer)挂接在APB总线上。

电机控制单元(MCM)8能产生用于电机控制的任意可带死区的PWM波，内置霍尔传感器与光电编码器的接口单元、支持硬件刹车中断功能。其中霍尔传感器与光电编码器的接口单元可以根据输入的电机霍尔信号或编码器信号来判断电机转子的位置信息，并根据该位置信息实现6路PWM的换相操作。当外部控制系统发生过流时，电机控制单元中的硬件刹车模块根据比较器12的输出直接关断6路PWM波的输出，从而实现系统的过流保护。该电机控制单元内部包含一重复计数器，该重复计数器用来控制在指定数目的计数器周期之后更新定时器的寄存器值，例如设置重复计数器寄存器TIME_RCR的值为6，则PWM定时器需要经过6次计数器周期后才可以更新它的周期寄存器、比较寄存器等相关寄存器；对于PWM事件触发ADC转换，支持在PWM事件发生时，先经过一段的延时后再触发ADC转换；电机控制单元(MCM)8挂接在APB总线上。

三个通用定时器(Timer1/2/3)9具有输入定时、捕获与输出比较的功能，其捕获功能可实现对输入方波信号的周期、占空比的测量，其输出比较功能可实现PWM波的输出。3个通用定时器为16位精度，工作时钟为PCLK的0-65535的任意分频时钟。3个通用定时器(Timer1/2/3)挂接在APB总线上。

高速模数转换器(ADC)24，为逐次逼近(SAR)结构，带有双采样保持功能，速度为1.5Msps，16个转换通道，转换精度为10位，12位转换结果；所述的双采样保持功能指的是ADC内部具有两块采样保持电路，ADC转换内核只有一个，可同时对两个通道的模拟信号进行采样并保持数据，待ADC转换内核依次转换。

高速模数转换器控制器(ADC Controler)16为ADC的数字控制单元，该单元可使ADC具有序列单次转换与序列连续转换的功能，转换序列的选择可通过软件编程控制。ADC的转换启动支持软件触发与PWM触发。所述的序列单次转换指的是用户可通过寄存器配置来选择对那几个通道序列依次进行转换，当选择的通道序列转换结束后，ADC停止转换等待下一次的触发事件到来。所述的序列连续转换指的是用户可通过寄存器配置来选择对那几个通道序列依次进行转换，当选择的通道序列转换结束后，不需要触发事件到来，直接开始新一轮的序列转换，转换连续进行。

两个单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器(PGA1/2)10可实现在FOC算法中对电机三相线圈中的两相线圈电压信号的准确测量，单端输入与双端输入可选这个功能对用户特别灵活，用户可根据不同的应用选择不同的输入方式。

普通的单端输入可编程模拟放大器PGA11用于对芯片外部三相逆变桥中对地的母线小信号电压进行放大，然后该PGA11的输出送向ADC24的通道ADCIN15进行转换，同时该PGA的输出也送向比较器COMP1的输入端以实现系统的过流检测。

高速模拟比较器(COMP1)12具有高速工作与低功耗工作两种模式，且高速模式下的响应时间小于100ns；比较器具有多级可编程的迟滞功能，本实施例中有5mv，10mv，20mv三档可选；高速模拟比较器(COMP1)12支持输出极性可选，输出送向电机控制单元(MCM)8并可产生中断，输出结果通过寄存器可读取。当电机控制系统过流时，根据高速模拟比较器(COMP1)12的输出，电机控制单元(MCM)8可直接关断6路PWM输出，从而保护电机控制系统。

温度传感器(Temperature Sensor)27的输出与模数转换器(ADC)24的一个通道ADCIN7相连，作为ADC24的一个通道转换输入。所述的线性稳压单元(LDO)的输出与模数转换器(ADC)的一个通道VBG相连，作为ADC的一个通道转换输入。

ADC、PGA1/2、PGA、COMP1的连接关系如图3所示。PGA101与PGA102的输入为来自芯片的外部引脚，它们的输出分别送向模数转换器24的采样保持电路241和采样保持电路242。PGA11的输入来自芯片外部引脚，输出送给模数转换器24，同时也可作为比较器12的输入。PGA101与PGA102被配置为可以实现双端输入或单端输入。当PGA101与PGA102要实现双端输入时，AIP与AIN端同时工作，内部放大电路对两路模拟信号的差值进行放大(差模信号)，这类情况下的差模信号为△U＝AIP－AIN。当PGA101与PGA102要实现单端输入时，AIP与AIN端只有一个工作，内部放大电路只对来自于AIP或AIN的信号进行放大。

PGA11只有单端输入的功能，它只对来自外部输入的模拟信号(含差模信号与共模信号)进行放大。在电机控制的应用中，该PGA用于对控制系统中的三相逆变桥的母线小信号电压进行放大。

整个MCU芯片都是基于AMBA总线设计的，AHB总线与APB总线通过桥接器APB-Bridge相连。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

第一、本芯片中的MATH协处理器实现三角函数的运算速度与32位除法的运算速度是现有芯片软件实现该类运算的100倍，更快的运算速度可使芯片的控制实时性更好、响应速度更快，同时由于CPU不参与上述运算(现有芯片的三角函数与除法运算是用户开发软件程序由CPU执行运算来完成的)，它可以在MATH运算时执行其他的功能，这又使得MCU芯片可以处理更多的任务。因此，使用本发明所提供的MCU芯片的电机运转过程更加平稳、因此噪音更低；并且更快地对外部的控制信号作出实时的做出响应变化。

第二、在MATH协处理器的实现方案中，其CORDIC算法内核与除法器内核的时钟PCLK的频率为寄存器接口时钟HCLK的频率的2倍，这个关于时钟的创新可使的MATH协处理器的运算速度更快。

第三、PGA1/2(单端输入/双端输入可选的可编程模拟放大器)可以满足用户对不同模拟信号的放大选择，在电机控制的应用中有时只需要对差模信号进行放大，因此选择PGA1/2的双端输入可有效的、准确的放大该差模信号，从而避免放大无用的共模信号，当需要放大原始的模拟信号时就选择单端输入的PGA1/2。PGA(普通的可编程模拟放大器)用来检测电机控制系统中的三相逆变桥的母线小信号电压，从而实现对三相逆变桥的过流检测。

第四、ADC的双采样保持功能可实现在同一时刻完成对电机三相线圈(Va,Vb,Vc)中的两相电压的采样(另外一相电压值通过计算可以得出)，最后三相线圈电压的转换结果是属于同一时刻的值，这个创新对磁场定向控制(FOC)算法的实现非常有益；同时ADC的转换速度大于1Msps，这样高速的ADC可以与高速的CPU配合完美的完成电机控制。

第五、本发明所提供的技术方案除了用作电机控制MCU芯片，还可以用在智能照明系统中的LED调光调色，由于芯片的时钟频率高，PWM具有16位精度，因此用该芯片可以使LED的光谱范围更加广泛，并且LED的灯光抖动更小。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims

1.一种用于电机控制的微控制器，其特征在于，包括：一处理器，一存储单元、一时钟生成单元、一数学协处理器、一可编程模拟放大器单元、一模数转换器以及总线单元，所述处理器、存储单元、时钟生成单元、数学协处理器、可编程模拟放大器单元以及所述模数转换器均通过所述总线单元连接，其中，所述数学协处理器用于执行除法运算和/或三角函数运算，所述数学协处理器包括一运算内核，所述运算内核的时钟频率是所述处理器的时钟频率的2倍，所述可编程模拟放大器单元包括两个单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器以及一单端输入的可编程模拟放大器，所述模数转换器用于在同一时刻采集所述电机的三相线圈电压中的两相线圈电压。

2.如权利要求1所述的用于电机控制的微控制器，其特征在于，所述运算内核包括一CORDIC运算模块以及一除法器运算模块。

3.如权利要求1所述的用于电机控制的微控制器，其特征在于，所述单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器包括一正端输入和一负端输入，在所述双端输入模式下，所述正端输入和负端输入均为有效的信号，并对所述正端输入和所述负端输入的差值信号进行放大；在所述单端输入模式下，所述正端输入和负端输入仅一个为有效的信号，并对所述有效的信号进行放大。

4.如权利要求1所述的用于电机控制的微控制器，其特征在于，所述模数转换器包括：第一采样保持电路，用于采集并保持第一模拟信号；第二采样保持电路，用于采集第二模拟信号；以及一模数转换电路，所述第一采样保持电路和第二采样保持电路均与所述模数转换电路连接，所述模数转换电路依次转换所述第一模拟信号和第二模拟信号。

5.如权利要求4所述的用于电机控制的微控制器，其特征在于，所述可编程模拟放大器单元与所述模数转换器连接，所述第一模拟信号和第二模拟信号为所述可编程模拟放大器单元的输出信号，所述第一模拟信号和所述第二模拟信号分别是第一、第二单端输入或双端输入可选的差分结构的可编程模拟放大器的输出信号。

6.如权利要求1所述的用于电机控制的微控制器，其特征在于，所述总线单元包括一高速总线以及一低速总线，所述高速总线与低速总线通过一桥接器连接。

7.如权利要求6所述的用于电机控制的微控制器，其特征在于，所述处理器、存储单元、时钟生成单元以及数学协处理器与所述高速总线连接，所述可编程模拟放大器单元以及所述模数转换器通过所述低速总线连接。

8.如权利要求1所述的用于电机控制的微控制器，其特征在于，所述单端输入的可编程模拟放大器用于对所述电机的三相逆变桥中对地的母线小信号电压进行放大，所述放大后的母线小信号电压经一比较器比较后实现过流检测。