基于Cortex-M3的FOC三相马达控制系统方案

据统计，全球约有51%的电力消耗于推动各种马达。因此，在环保意识高涨的情况下，提高马达控制系统的效能、达成节能省电的目标成为大势所趋，马达控制IC也成为市场的新热点。

为实现更精准、智慧化的马达控制，变频马达必须采用MCU甚至DSP来执行各种算法。近年来，在DSP产品价格较高以及MCU产品性能迅速提高的情况下，MCU成为中低端马达控制领域的新锐力量，市场规模增长迅速。来自赛迪顾问的数据显示，从2006年起，大陆马达控制MCU市场规模就已突破人民币100亿元，显见这个市场有多么的巨大。

长久以来，这个市场一直为欧美日等MCU/DSP厂商所主宰，台湾的厂商一直都没能浮上水面。为了提升台湾在此领域的自主能力、提供台湾马达控制厂商较低价的MCU解决方案以及提升台湾本土厂商的竞争力，盛群设计团队特别专注于深入了解变频马达控制系统，并开发了相关的软硬件包含整合32-bit MCU、控制马达的专用PWM timer、高精密度的ADC以及FOC算法(如图一所示)等。主要应用领域可涵盖如冷气压缩机、送料机、吸尘器、电动脚踏车、跑步机、洗衣机等产品上，马达控制图如二所示。

图1 FOC架构图
 

图2 传统的马达FOC控制系统

经评估，要达成如图三的低价控制系统，使用的CPU core的运算效能至少要达50DMIPS以上，MCU的ADC转换速度需要达800Ksps以上且精准度要达11-bit以上，且PWM与ADC更要能同步运作。

图3 低价控制系统

基于上述系统效能及相关IP分析结果，盛群半导体特别研发了一系列以ARM Cortex-M3为内核的32-bit MCU HT32F1755/1765，特别适用于FOC三相马达控制系统，如图四所示。

图4 HT32F1755/1765方框图

其功能如下：操作速度可达72MHz，效能可到90DMIPS，即1秒可执行9,000万个指令，约是台湾其它竞业产品的2倍，符合FOC坐标转换(Clarke & Park)及转子位置预估所需之高速运算能力。其次，具12-bit 1Msps 8 channel的高速高精度ADC。

产品整合了特殊的PWM Timer(Motor Control Timer Module；MCTM)，可以达到16-bit up/down counter、Up to 4 independent channels for Input Capture and Compare Match Output/PWM、Complementary PWM Outputs with programmable dead-time、Break Input可藉由外部IO输入讯号停止PWM输出，可用于保护机制如过电流等，在Trigger ADC部分可在PWM周期内触发ADC，用于电流数据读取。

而FOC三相马达控制系统，具大块内存(128KB Flash及64KB SRAM)，无需外挂内存(RAM/NOR等)，有效减少外部组件，达到面积缩小，成本降低及耗电量减少之目的，且提供弹性通讯接口如USB及UART等。

图五为盛群马达控制系统架构图，在控制板方面可使用在马达控制运算及人机接口，驱动板与马达连结，实际输出三相PWM及输入电流，隔离板可隔离2kV高压，马达可为ACIM or PMSM(BLDC)等，而软件则是提供Firmware Library、FOC控制Library以及人机接口相关Source Code，通过IDE编译后，即可通过e-Link32烧录至控制板，进行后续之控制调整及测试。

图5 盛群马达控制系统架构