三大电机控制方案之MCU篇（1）：英飞凌 XMC1000

　　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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