1us电流环！先楫HPM6000系列芯片实现高效电机控制

 

不管是工业自动化领域，还是汽车领域，抑或是生活家电领域，各个终端市场对电机性能都提出了更高的要求。它们不仅需要电机能够做到高效率和多功能控制，还需要电机在追求高转速的同时实现低噪音低振动的控制效果。在与日俱增的高标准性能要求下，高性能成了电机芯片竞争的关键。

纵观整个电机控制芯片市场，从低成本通用伺服驱控到中高性能通用伺服驱控，长于控制的MCU单芯片方案都是最常见且最受欢迎的，而且现在VC/FOC功能几乎已成为电机MCU的标配，是体现控制能力的核心竞争力。虽然严格来说，VC和FOC二者概念上是有差异的，但在大多数场景里，二者指的是同一种控制方法。VC矢量控制（Vector Control）将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最优方法之一。VC矢量控制不仅解决了自然坐标系上实现电机速度、电流闭环负反馈控制难的问题，而且保证了优良的速度、转矩输出性能，在工控、汽车、家用、3D打印等行业得到了迅速的发展，成为主流电机控制的基本架构，其控制原理如下图所示：

图1 VC原理

 

如上图所示，VC矢量控制的核心源自于闭环负反馈，因此其带宽是电机控制产品最重要的衡量指标之一。具体来说，高带宽能够带来更快的指令响应时间和更优异的高频扰动抑制能力，这种能力最终体现在电机层面上的是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和电机抖动。而代码执行时间决定了带宽，是电机控制产品不可逾越的指标之一，这也造成了目前市场上电机控制产品性能输出有差异的现象。归根结底，电机控制的差异取决于芯片性能。其限制因素特别体现在以下三个方面：

主控芯片主频限制：芯片主频不够高，无法做到高速运算，以及提升带宽；

外环代码执行限制：内环代码通过原厂提供的硬件化方法可以执行很快，但是外环代码执行依旧不够快；

• 代码硬件化限制：芯片所有代码硬件化，却产生了开发难以及无法做一些常见电机控制算法等问题。

因此想要实现更优秀的控制性能，电机控制MCU的选择非常关键。上海先楫半导体已经量产的RISC-V内核HPM6700/6400系列芯片抓住了上述主要矛盾，通过提升主频来解决电机控制行业的痛点，得益于RISC-V本身的简洁性和模块化设计，CPU能运行在更高的频率，带来更高的性能。以HPM6700/6400系列芯片为例，参数如下图所示：

 

图2 先楫HPM6700/6400系列芯片HPM6700/6400系列高性能MCU展示了先楫半导体高性能芯片的研发实力，HPM6700/6400系列主频高达816MHz，不仅能够解决上文提到的电机控制性能的三大限制，而且契合现在电机多核驱控一体的发展趋势。HPM6700/6400系列还为电机系统提供了精度达2.5ns的4组共32路PWM输出以及4个正交编码器接口和4个霍尔传感器接口，完美适配高性能电机控制和数字电源运动控制系统。

< 解决方案分享>

先楫HPM6000系列芯片的1us电流环

 

 

 

图3 案例时序

案例使用先楫HPM6000系列芯片—HPM6400系列与HPM6300系列，采用图3所示的电流环时序，分别使用HPM6400系列与HPM6300系列芯片实测VC矢量控制中的电流环执行时间。具体而言：从提升电流内环带宽的角度出发，将图1中的VC结构划分为外环（位置速度环）、内环（电流环），如图4所示：

图4 等效VC结构

 

在VC矢量控制中，由于采用了坐标变换，dq轴电流在稳态情况下都是直流给定，而只在加减速或者突加减负载的时候，速度环会等效输出一个阶跃指令，电流环的带宽就是电流环能够以多快的速度去响应这个指令，带宽越大响应越快。所以说电流环执行时间直接决定了电流环的带宽，是电机控制产品必须考量的指标。

结果，先楫半导体已量产系列芯片实测的电流环执行时间如下图所示：

 

 

 

图5 HPM6400、6300系列芯片电流环执行时间实测数据

 

如图5所示，HPM6300系列芯片的电流环执行时间接近1us，HPM6400系列电流环执行时间更是控制在1us以内，该优势不仅能够提升带宽，更是说明了先楫高性能芯片能够带来高速运算能力，实现复杂电机控制算法（如多电机同步、参数辨识、SVC（Senseless Vector Control）、谐波注入等）与电流环的同步，甚至是以更高的频率执行。在高性能先楫HPM6000系列芯片的加持下，电机产品能够不失精度地展现出更优异的控制性能。

 

高性能电机控制 

HPM6000系列芯片介绍

HPM6700/6400系列为HPM6000系列的旗舰产品，采用RISC-V内核(*67为双核，64为单核），主频达816MHz，凭借先楫半导体的创新总线架构、高效的L1缓存和本地存储器，创下了高达9220CoreMark和高达4651 DMIPS 的MCU性能新纪录。

除了高算力RISC-V CPU，HPM6700/6400系列产品还创造性地整合了一系列高性能外设，包括支持2D图形加速的显示系统、高速USB、千兆以太网、CAN FD等通讯接口，高速12位和高精度16位模数转换器，面向高性能电机控制和数字电源的运动控制系统。HPM6300系列是HPM6000系列的另一款力作，采用单核32位RISC-V处理器，主频超过600 MHz，性能超过3390CoreMark和1710 DMIPS。同时，HPM6300系列支持双精度浮点运算，模拟模块包括16位模数转换器，12位数模转换器和模拟比较器，配以多组纳秒级高分辨率PWM，为电机控制和数字电源应用提供强大硬件支持。欲了解更多HPM6000系列产品特点与应用案例，欢迎关注并推荐“先楫半导体HPMicro”及“先楫芯上人”。