该电路图中展示了 Microchip 技术推出的一个非常有趣的喇叭驱动器项目。该喇叭驱动器项目基于 Microchip 的 PIC16F886 微控制...
三大电机控制方案之MCU篇（1）：英飞凌 XMC1000
接线图
2023年09月22日 10:00 452
admin
简介： MCU是目前市场主流的电机控制方案，适用于高、中、低端电机控制。通过内部集成的电机控制模块，可简化客户对于电机控制的开发；而相对于DSP较强的控制功能，能更好地实现电机的伺服控制和保护功能。
关于电机控制方案，DSP、MCU和FPGA各有其优特点。DSP因为数据处理能力强、运算速度快，适用于高端复杂的电机系统控制，但它依赖于软件算法的成熟度和稳定性，对开发者的要求比较高。FPGA通过集成逻辑电路及专用电机驱动电路，能够很好地适用于客户化的电机驱动，但在电机控制的通用性方面略有不足。MCU通常侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小，非常适用于有大量的I/O操作的场合，所以广泛应用在低成本，低功耗和对精度要求不高的系统中。但由于本身处理能力有限，应用的场合受到了比较大的限制。
为了带大家深入地了解市面上主流的电机控制方案，电子发烧友网站将从MCU，DSP，FPGA三个方向入手，盘点各大厂商推出的电机控制方案。本系列主要针对MCU领域，后续将会慢慢完善其它系列，敬请期待！
MCU是目前市场主流的电机控制方案，适用于高、中、低端电机控制。通过内部集成的电机控制模块，可简化客户对于电机控制的开发；而相对于DSP较强的控制功能，能更好地实现电机的伺服控制和保护功能。目前，8位MCU主要用于电机控制的低成本，低性能场合，16位、32位MCU则用于中/高性能场合。
英飞凌针XMC1000
英飞凌针对中国市场推出全新XMC1000工业单片机，在电机控制领域拥有很高的性价比。XMC1000将ARM Cortex-M0内核与尖端的65nm制程技术结合在一起，克服了当今8位设计的限制，并使当前的8位用户有机会享受32位性能，而无需在价格或易用性方面付出代价。
简介
XMC1000具有最具扩展性的闪存组合，容量从8KB- 200KB不等。XMC1000的三个不同系列涵盖了众多应用领域。XMC1100系列是XMC单片机的入门级选择，该系列器件具有6个12位A/D转换器通道（转换速率高达1.88兆采样/秒）、4个16位定时器（捕获/比较单元4（CCU4））以及宽工作电压范围（1.8V-5.5V）。这些特性使XMC1000可适用于广泛的工业应用领域。X MC1200系列具有面向LED照明和HMI设计的外设，包括一个电容触控和LED显示控制单元，一个BCCU。BCCU可在处理器几乎不介入的情况下，对LED进行无闪烁调光和颜色控制。该系列产品的工作温度范围为-40°C 到105°C。XMC1300系列可满足电机控制或数字电源转换应用的实时控制需求，它集成一个功能强大的捕获/比较单元 CCU8（支持8对互补PWM生成和非对称PWM生成），集成位置接口单元（POSIF），支持精确的电机位置检测。XMC1300系列还集成算术协处理器，支持无传感器FOC（磁场定向控制）解决方案，提高电机运行效率。这是其他基于Cortex-M0的单片机产品所没有的。XMC1300系列的工作温度最高可达105°C 。
XMC1000家族成员特性表
功能框图
XMC1000主要特性
-32位ARM® Cortex™-M0（32MHz）内核
-低端领域最具扩展性的闪存组合，容量从8KB- 200KB不等
-适用于软件IP保护的AES 128位安全加载器
-专利的LED色彩控制引擎
-领先的XMC混合信号和定时器外设
-IEC 60730 class B标准兼容
-面向触控和LED显示控制的外设
-面向高端控制回路（CORDIC / DIVIDE）的64MHz算术协处理器
-温度范围扩展至105°C
单元模块介绍
XMC1000的BCCU-亮度色彩控制单元
1 概述
BCCU是亮度色彩控制单元（Brightness and Color Control Unit），用于控制多至9个不同的LED。
通过12bit的Delta Sigma反变换把亮度控制值转换为比特流。这种结构使得BCCU还可以连接一个外部RC电路作为DAC使用。
XMC1000系列中，XMC1200和XMC1300带有BCCU模块
2 特性
1）包括3个独立的Dimming Engine（亮度控制引擎）
2）Dimming Engine支持12位（4096）不同的亮度输出
3）亮度按照指数曲线调节，且步长可调
4）9个独立的输出通道，输出比特流，可以控制9个不同的LED或作为DAC使用
5）通道可连接一个Linear Walker，它的输出时LED的饱和度（Intensity），支持12位调节
6）通道和Dimming Engine之间可自由连接
7）通道也可连接饱和度调节器和Dimming Engine输出值的乘积
8）每个通道可连接一个Packer，当需要降低开关频率是可用到
9）有两个通道可以连接ADC
3 通道结构
每个通道都是相同的结构，其中左侧是通道的输入（包括Dimming Engine和Linear Walker），右侧BCCU.OUTy是通道的输出，从这个结构框图可以看出BCCU通道的工作分为几步
1）输入的选择和配置
2）输入通过Delta Sigma转换为比特流
3）比特流通过一个可选的Packer，某些LED或其驱动芯片有最短开通时间的限制，Packer可以用于类似的需要降低开关速度的情况。
4）外部使能是否输出
5）同时Delta Sigma的输出可以产生一个Tigger，用以出发ADC转换等
通道的输入可以有两种，这可以通过修改寄存器DBP来选择，其中Linear Walker的输出为饱和度Intensity
1）Dimming Engine输出和Linear Walker输出的乘积
2）Linear Walker的直接输出
XMC1000的随机数生成单元PRNG
1 背景
PRNG（Preeudo Random Number Generator）是随机码生成模块，可以产生8/16位随机码。
2 工作原理
1）框图
2）工作原理
这个模块通过向随机数序列生成器写入Key，来产生8/16位的随机数，其中随机数序列的产生和Key是唯一对应的。随机Key写入完毕后，可以读出随机序列，随机Key写入和随机序列读出的位置都是PRNG_WORD，不过他们在不同的步骤中操作，所以不会产生冲突。
3）使用
a.首先设定KLD=1，进入Key写入模式，写入随机key，key可以是任意位数，推荐80位，分为5个16bit写入PRNG_WORD中。注意，只有当PRNG_CHK.RDV=1时，才能向PRNG_WORD中写入Key
b.Key写完后，把KLD置为0。然后，当PRNG_CHK.RDV=1，可以从PRNG_WORD中读出随机序列。随机序列可以为8、16位数据，这个通过PRNG_CHK.RDBS来控制。
c.若在随机码产生过程中把KLD置为1，则可继续写入Key，新写入的Key会和之前的Key共同作用于随机序列
d.通过RDBS置为00，可以重启该模块
e.若在重启前，记录随机序列至少80位，重新作为key写入，则随机序列会接着上次的输出继续产生。
XMC1300的MATH协处理器
1 XMC1300芯片带有一个MATH协处理器，它包含以下两个子模块
除法器
Cordic协处理器
2 除法器
特性
可做32位/32位，32位/16位，16位/16位除法
操作
-除法器启动，启动方式有两种，通过设定DIVCON.STMODE来选取，
a. 当DIVCON.STMODE=0，写入DVS即启动除法
b. 当DIVCON.STMODE=1，写入DIVCON.ST位即启动除法
-除法器忙，当除法器工作时，DIVST.BSY = 1，这时不要再试图启动其他的除法
-除法器需要35个周期结束，结束时可选择产生中断，并会出现结果置位，这个结果置位需要手动清除。
3 Cordic协处理器
Cordic协处理器可进行三角函数、双曲线函数和一次线性函数，其中函数模式通过CON.MODE来选择。
计算模式包括向量模式和旋转模式，通过CON.ROTVEC来选择
特性
24位精度，
Circula模式
旋转模式
输入X，Y，Z
输出
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
输入X，Y，Z
输出
X= K*sqrt（X^2+Y^2）/MPS
Y= 0
Z=Z+atan（Y/X）
主要应用
-计算sin（z），cos（z），tan（z），ctg（z）等
3） 双曲线模式
- 旋转模式
输入X，Y，Z
输出
X=k［Xcosh（Z）+Ysinh（Z）］/MPS
Y= k［Ycosh（Z）+Xsinh（Z）］/MPS
Z=0
-向量模式
输入X，Y，Z
输出
X=k*sqrt（X^2-Y^2）/MPS
Y= 0
Z=Z+atanh（Y/X）
其中k = 0.828159360960
-主要应用，计算sinh（Z），cosh（Z），tanh（Z），ctgh（Z）等，同时可以计算ln（w），sqrt（W），acosh（w），asinh（W）等
一次线性模式
输入X，Y，Z
输出
X=X/MPS
Y=［Y+X*Z］/MPS
Z=0
-向量模式
输入X，Y，Z
输出
X=X/MPS
Y= 0
Z=Z+Y/X
4 除法器和Cordic的互联
除法器的输入可以由除法器的结果或Cordic的结果直接输入，这样构成了除法器和Cordic的级联。
比如计算tan（z），可以直接把Cordic的输出sin（z）连接到DVD，cos（z）连接到DVS，这样就可以得到tan（z）。
XMC1000的中断控制器
1 概述
XMC1000系列的中断处理器包括32个中断处理节点
每个节点支持4级中断优先级
支持尾链（tail-chaining ）
支持软中断
2 中断对应表格，可查相应数据手册活产品手册
3 中断功能
由以上框图可以看出，对应于每个中断，都可以由外部或软件触发产生，不过每个中断又需要单独使能才能最终进入中断处理。
同时中断也可以被软件清除，或者当进入中断处理后，硬件会自动清除。
另外要注意的是，当硬件中断和软件清除同时到来，软件清除会被系统忽略，即硬件中断置位优先级高。
从中断触发到进入中断处理程序，一般要花费21个系统周期。
注：尾链技术（Tail-Chain）
这个技术是ARM推出的可以减小中断等待时间的技术。
一般情况下的中断处理，需要先保存堆栈，再出栈，如果中途有新的更高优先级的中断，则需要重新做上一步骤。如果使用了尾链技术，则第二个中断到来时候，不需要重复保存堆栈，再出栈的过程。
XMC1000电机应用相关外设集
PWM - CCU4
多功能16位定时器组
４个完全相同、独立运行的子单元
实现功能（部分）
― 通用16位定时器
― 独立的16位PWM生成
― 外部信号捕获（周期，占空比），
计数功能
― 与其他外设配合工作，如
―与ADC配合，触发延时电流采样
―与POSIF配合，实现转速、位置计算：
霍尔传感器，增量式编码器
―与比较器配合，实现外部事件触发
PWM生成（PFC）
PWM - CCU8
CCU8 = CCU4++
集成CCU4所有功能
８对互补PWM输出（独立死区）
支持常见的各种电机拓扑PWM生成
― 半桥、全桥、三相全桥、三电平控制等
支持移相PWM：单母线电阻电流采样
与POSIF配合，实现BLDC控制
硬件触发ADC采样
ADC & 比较器
三路独立、高速比较器单元
-3mV 输入偏置电压
-30ns传输延时
-可触发PWM， A/D操作
-回差可调：0mV，15mV，20mV
位置接口单元 － POSIF
-增量编码器
-霍尔传感器
-多通道模式（BLDC 相关）
应用
-与CCU4配合进行位置、速度的检测
-与CCU8配合进行直流无刷电机控制
位置接口单元 － 旋转变压器接口（DSD）
旋转变压器
-环境不敏感
-系统成本较高、精度受限
应用领域
-伺服控制系统
-汽车、电力、冶金等
通讯接口
XMC1000通用的应用领域：
LED 照明
适合领域
-LED 路灯，彩色LED控制，亮度控制等
应用优势
-无闪烁调光及色彩控制
-仅需极少CPU负荷，即可实现调光
-通信接口支持网络连接
数字电源转换
传感器、执行器、通用应用
适合领域
-低端工业、消费类应用
-现有8位微控制器的相关应用
应用优势
-通用、强大
-小封装、大Flash， 大RAM
XMC1000应用在电机控制领域（支持简单控制至无传感器FOC）：
支持各种电机应用
-风机，水泵，家电，电动自行车等
电机类型
-直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机
控制算法
-梯形波控制
-简单正弦波控制
-磁场定向控制（FOC）
XMC1000的两个电机控制应用实例
电动自行车（Ebike）控制器 － 双模FOC控制
XMC1300双模FOC方案
电动自行车发展
功能列表
结构框图
航模控制器 － 高速无感BLDC控制
航模BLDC特点
-体积小，重量轻
-转速高（几千K/V或更高）
业内最高速度（21，0000RPM/1对极）
-无Hall传感器，减少线材，避免潜在故障点
-宽电压范围工作（电池供电）
对MCU的要求
-最好内置比较器实现过零点检出
-尽量硬件实现换相检测，减少CPU占用
-端电压分压后不滤波直接处理，避免RC延时的影响
XMC1300航模控制器Demo介绍
实物图
结构框图
-内置三个高速比较器，无须输入信号切换
-POSIF单元处理比较器信号，实现硬件换相
-CCU4配合POSIF实现滤除开关毛刺和续流尖峰处理、换相延时。
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