实现高效伺服电机驱动控制应用的高性能MCU选型及实战案例

发布时间：2024-05-30 阅读量：2339 来源: 我爱方案网作者: bebop

摘要：在工业应用场景中，电机的性能优化往往还需要依赖先进的控制系统。这些系统基于高性能MCU，提供更高的分辨率和精度，实时监控电机的工作状态，动态调整其运行参数，确保电机始终处于最佳工作点。这不仅提升了效率，还有助于预防潜在的故障，延长电机的使用寿命。同时，现代的控制策略，如矢量控制或直接转矩控制，使得电机的动态性能得到了极大的提升，为高速、高精度的自动化生产提供了有力保障。

伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，主要通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，是传动技术的高端产品，被广泛应用于工业机器人、数控机床等自动化设备中。

高性能MCU以卓越的运算性能、加强的SRAM、丰富的外设资源，在电机控制产业中有所应用，以下分享一些已量产的案例及其技术实现方式，以作参考。

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1.300W直流无刷电机驱动方案

方案简介：

方案使用STM32G431微控制器为主控芯片，STSPIN32G4 高性能半桥门驱动器做为电机驱动。STSPIN32G4使用9x9mm VFQFPN封装，具有丰富可编程功能，可实现电流传感，每个功率MOSFET的漏源极电压传感，以及过流保护，是做电机完全集成控制的解决方案。

应用场景：

可应用于工业和家庭自动化，家用电器，如吸尘器、烘干机和清洁机器人，伺服驱动和电动自行车，电动和园艺工具，泵与风机，无人机和航模。

方案特色：

32位ARM Cortex -M4 MCU+FPU
时钟频率高达170MHz
用于三角函数的CORDIC数学硬件加速器
128kB Flash内存，专有代码读出保护
32kB SRAM内存与硬件奇偶校验
两个先进的定时器电机控制，16位，多达六个PWM通道
八个通用定时器
两个adc 12位分辨率(多达19个通道)，转换速率为4Msps
4个12位DAC通道
全套接口(I(2)C, SPI, UART, CAN)
3.3V LDO线性稳压器，最高150mA

2.直流伺服电机解决方案

方案可实现AC伺服系统和工业电机等工业设备的高速处理、高精度控制以及功能安全，主控采用瑞萨RZ/T2M，最大频率为800 MHz，双Arm® Cortex®-R52内核。RZ/T2M直流伺服电机解决方案套件可轻松实现电机控制系统的初始评估和高级开发。

方案优势：

• 采用电机位置/速度控制软件，能够对使用RZ/T2M的工业电机设备开发实施初期评价

• 除了板上运行的软件和上位机软件外，我们还可提供原理图，能够缩短客户的开发时间

• RZ/T2M的ΔΣ接口可与瑞萨的ΔΣ调制器集成，实现高精度电流检测

• 提供用于在电机U/V/W相线上检测电流的参考电路，还可提供示例程序

• RZ/T2M搭载支持各种绝对值编码器协议的编码器接口，通过与RS-485 Transmitter/Receiver集成，可兼容各种编码器。

• 配备2ch的RJ-45，后续计划支持以太网连接

3.强磁搅拌器应用方案

方案采用极海APM32F035电机控制专用MCU作为此应用方案的主控，负责采集霍尔信号、电流、电压信号，执行电机控制逻辑，接收控制指令以及反馈电机运行状态。具体来说，APM32F035通过检测霍尔信号、母线电压信号以及电机的相电流信号，输入到MCU内部，同时在MCU内执行电机算法逻辑；随后通过Timer1输出6组互补的PWM信号来驱动电机，保障电机高效、平稳、低噪声运行。值得说明的是APM32F035内部集成4路独立运放模块，在进行电机相电流采样时，不需要外置运放进行信号调制。

方案优势：

采用霍尔FOC矢量控制，显著降低运行噪声

集成多运放、比较器，精简电路，降低干扰

霍尔自学习及角度补偿功能，实现绝对零度控制，显著提升电机运行效率

启动无反转，无级调速，全转速运行稳定并支持超低频率0.83Hz运行

故障指示、正反转自由切换、软硬件调速

输入过欠压保护、软硬件过流保护、缺相保护、堵转保护、霍尔异常检测等保护功能

4.洗衣机变频控制方案

方案以小华HC32F460为主控芯片，单芯片实现洗涤电机与烘干风机的双电机变频控制；采用无感FOC控制算法，运行噪音低，电流谐波小；支持多种采样方式，内置放大器和比较器，节省BOM成本；完善的系统保护功能：过压、欠压、过流、堵转、缺相等；支持异常情况下的紧急停机功能。

方案特点：

1.200MHz 32bit ARM Cortex-M4内核MCU HC32F460

2.支持FPU，大幅度提升算力

3.高效Cache，保证CPU零等待执行性能

4.多功能PWM Timer，支持多个电机控制

5.12位2Msps高精度ADC单元，灵活支持多种采样方式

6.内置PGA、CMP

7.EMB可独立控制每个通道

8.系列丰富，封装从48Pin到100Pin，适应不同设计需求

应用领域：冰箱、空调、洗衣机、变频控制板

5.电动自行车

方案简介：电动自行车电驱控制板方案以HC32M120为主控芯片，同MOS、Gate_Drivers、LDO及其他外围电路构成。主要功能：EBS、能量回馈、HDC、霍尔修复、相序自识别、一线通、三速、GB_25KM、1:1电动助力等。

方案特点：

48MHz主频、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER、温度范围：-40℃~105℃

丰富的基础函数库、SVPWM系统、电机专用控制库模块

FOC控制系统优势（正弦电流、转矩平稳、低噪音）

平地/坡道/溜坡/滑行/带载启动优势（启动转矩大、重载启动高可靠）

客制化控制流程优势（丰富的模块化电机库）

完善的系统保护功能（过流、过压、欠压、堵转、飞车、短路等保护）

6.电动工具方案

方案基于无传感器六步换相控制算法，实现BLDC电机大扭矩启动和高速运行，保护功能齐全，适用于电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤等低压中小功率电动工具应用场景，以HC32M140为主控芯片。

方案特点

48MHz主频、8KB RAM/128KB Flash内存资源、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER

基础功能：反电动势过零检测算法（支持ADC和比较器）、电流/电压采样

复杂工况：静止堵转启动、低速大扭矩运行、顺逆风启动、刹车功能

系统保护：过流保护、过压/欠压保护、长时间堵转保护

支持多种转速设定信号（PWM、ADC等）

应用场景

电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤

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