SmartFusion雙馬達控制套件的主要特性及應(yīng)用分析

Microsemi公司的SmartFusion雙馬達控制套件包括SmartFusion評估板和與之配對的TRINAMIC公司的TMCM-AC-840子板，能為逐步馬達和無刷DC馬達（BLDC）提供定制化片上系統(tǒng)（c SoC）馬達控制平臺，而SmartFusion的CSOC器件集成了FPGA，ARM ?的Cortex ?-M3處理器，以及可編程的模擬，提供完全定制的IP保護和容易使用;此外還集成了SRAM存儲器和SPI閃存本文介紹了SmartFusion cSoC主要特性，面板圖和系統(tǒng)架構(gòu)圖，BLDC和步進馬達演示設(shè)計基本原理以及SmartFusion雙馬達控制套件主要特性，SmartFusion評估板主要特性以及TMCM-AC-840子板的主要特性，電路圖和馬達控制子板PCB布局圖。

SmartFusion?系列cSoCs建立在Fusion混合信號FPGA首次引入的技術(shù)的基礎(chǔ)上。通過將FPGA技術(shù)與可編程高性能模擬和經(jīng)過加固的ARM Cortex-M3微控制器模塊集成到閃存半導(dǎo)體工藝中，可以實現(xiàn)SmartFusion cSoC。SmartFusion cSoC之所以得名，是因為這三種分立技術(shù)都集成在單個芯片上，從而為您提供了最低的擁有成本和最小的占地面積解決方案。

SmartFusion定制片上系統(tǒng)（cSoC）的主要特性：

微處理器子系統(tǒng)（MSS）

?硬100 MHz 32位ARM?Cortex?-M3

–零等待狀態(tài) 存儲器的1.25 D MIPS / MHz吞吐量 –存儲器保護單元（MPU）

–單周期乘法，硬件除法

– JTAG調(diào)試（4線），串行線調(diào)試（SWD，2線）和單線查看器（SWV）接口

?內(nèi)部存儲器

–嵌入式非易失性閃存（eNVM），128 KB至512 KB

– 16 KB至64 KB的嵌入式高速SRAM（eSRAM），在2個物理塊中實現(xiàn)，以允許從2個不同的

主設(shè)備同時訪問

?多層AHB通信矩陣

–提供高達16 Gbps的片上存儲帶寬，1允許多主站方案

?具有RMII接口2的10/100以太網(wǎng)MAC

?可編程外部存儲器控制器，其

支持：

–異步存儲器

– NOR閃存，SRAM，PSRAM

–同步SRAM

?兩個I2C外設(shè)

?兩個16550兼容UART

?兩個SPI外設(shè)

?兩個32位定時器

?32位看門狗定時器

?8通道DMA控制器，可從數(shù)據(jù)事務(wù)中卸載Cortex-M3

?時鐘源

– 32 KHz至20 MHz主振蕩器

–具有實時計數(shù)器（RTC）的電池供電的32 KHz低功耗振蕩器

– 100 MHz嵌入式RC振蕩器；精度為1％

–具有4個輸出相位（ 0、90、180、270 ）的嵌入式模擬PLL

高性能FPGA

?基于成熟的ProASIC?3FPGA架構(gòu)

?低功耗，130納米，7層金屬的抗誤錯性，基于閃存的CMOS工藝

?非易失性，上電時實時顯示，斷電時保留程序

?350 MHz系統(tǒng)性能

?嵌入式SRAM和FIFO

–可變長寬比4，608位SRAM塊

– x1，x2，x4，x9和x18組織

–真正的雙端口SRAM（不包括x18）

–可編程的嵌入式FIFO控制邏輯

?安全ISP通過JTAG具有128位AES

?FlashLock?可確保FPGA內(nèi)容的安全

?五個時鐘調(diào)節(jié)電路（CCC），具有多達2個集成模擬PLL

–相移，乘法/除法和延遲功能

–頻率：輸入1.5–350 MHz，輸出0.75至350 MHz的

可編程模擬

模擬前端（AFE）

?最多3個12位SAR ADC小號

- 500 ksps的在12位模式下

- 550 ksps的在10位模式

- 600 ksps的在8位模式下

?內(nèi)部2.56 V參考或可選的外部參考

?一個一階ΣΔ DAC每個ADC（Σ-Δ）

- 8位，16位，或24位500 ksps的更新速率

?最多每個設(shè)備多達5個高性能模擬信號調(diào)理模塊（SCB），每個模塊包括：

–兩個高壓雙極性電壓監(jiān)控器（4個輸入范圍為±2.5 V至

–11.5 / + 14 V），精度為1％

–高增益電流監(jiān)視器，差分增益= 50，最高14 V共模

–溫度監(jiān)視器（分辨率=?°C，12位模式；準(zhǔn)確度從–55°C到150°C）

?多達十個高速電壓比較器（ tpd = 15 ns）

模擬計算引擎（ACE）

?從基于ADC，DAC和SCB的模擬初始化和處理中卸載基于Cortex-M3的MSS

?用于ADC和DAC參數(shù)設(shè)置的采樣序列引擎

?用于低通濾波和線性變換等功能的后處理引擎

?輕松通過GUI在Libero?集成設(shè)計（IDE）軟件

I / O和工作電壓中進行配置

?FPGA I / O

– LVDS，PCI，PCI-X，最高24 mA IOH / IOL

–最高350 MHz

?MSS I / O

–施密特觸發(fā)器，最高6 mA IOH，

最高8 mA IOL，最高180 MHz

?帶片上1.5 V穩(wěn)壓器的3.3 V單電源

?旁路穩(wěn)壓器允許外部1.5 V（對于FPGA和MSS，數(shù)字VCC = 1.5 V，模擬VCC = 3.3 V和1.5 V）

SmartFusion系列產(chǎn)品：

圖1. SmartFusion cSoC機箱圖

圖2.

SmartFusion cSoC系統(tǒng)架構(gòu)圖SmartsFusion

雙馬達控制套件Microsemi的SmartFusion雙馬達控制套件具有SmartFusion評估板和TRINAMIC的TMCM-AC-840子板，可提供可定制的片上系統(tǒng)（cSoC）馬達控制原型平臺適用于步進和無刷直流電機（BLDC）。包括每種類型的電動機中的一種，以及必要的電纜和電源。SmartFusion cSoC是唯一集成了FPGA，ARM?Cortex?-M3處理器和可編程模擬的設(shè)備，具有完全的自定義，IP保護和易用性。該器件包含片上閃存和片上SRAM存儲器，以及板上的其他SPI閃存。

SmartFusion FPGA非常適合運動控制應(yīng)用。由于硬件，軟件和其他模擬組件的結(jié)合，復(fù)雜的系統(tǒng)可以集成在單個芯片中。這大大減少了實現(xiàn)運動控制單元所需的組件數(shù)量。實時關(guān)鍵任務(wù)可以在硬件中實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^軟件來實現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)，但是對實時性要求不高的任務(wù)。實時的關(guān)鍵任務(wù)是快速旋轉(zhuǎn)BLDC電機的換向或高分辨率編碼器信號的處理。運動控制應(yīng)用中的典型任務(wù)是處理模擬信號，例如電壓和電流測量。因此，是SmartFusion的?？梢允褂媚M量I / O和處理功能。

SmartFusion評估板的主要特性：

?支持SmartFusion評估，包括ARM Cortex-M3，F(xiàn)PGA和可編程模擬

?免費的一年Libero集成設(shè)計環(huán)境（IDE）軟件和帶有SoftConsole的金牌許可，用于嵌入式設(shè)計

?兩根USB電纜

?在線用戶指南，教程和設(shè)計示例

?印刷電路板（PCB）原理圖，布局文件和物料清單（BOM）

?電路板功能

-以太網(wǎng)接口

-USB端口用于電源和超級終端

-USB端口用于編程和調(diào)試

-J-Link接頭用于調(diào)試

-混合信號頭

- SPI FL灰-的片外存儲器

-復(fù)位和2用戶開關(guān)，8個LED小號

-電壓/電流監(jiān)控器的POT-

溫度監(jiān)控器

-有機發(fā)光二極管（OLED）

與Trinamic的集成BLDC電機柵極驅(qū)動器TMC603A（或集成的步進電機驅(qū)動器TMC262）一起，可以通過幾個組件實現(xiàn)功率級如TMCM-AC-840子板套件所示，可直接插入ACTEL SmartFusion。評估套件板或開發(fā)套件板。

TRINAMIC TMCM-AC-840子板套件是用于無刷直流電動機（BLDC）和步進電動機的電源驅(qū)動器。TMCM-AC-840子板套件包含一個TMC603A BLDC電機驅(qū)動器IC和一個TMC262 coolStep。步進電機驅(qū)動器IC以及兩個電機（一個BLDC和一個步進電機）和一個適合的便攜式電源立即啟動。

TMCM-AC-840設(shè)計為可與ACTEL SmartFusion一起使用。開發(fā)套件（修訂版C和更高版本）以及ACTEL SmartFusion。評估板，因為兩塊板的混合信號擴展接頭都與引腳兼容（兩塊板請參見ACTEL用戶指南）。當(dāng)TMCM-AC-840與ACTEL SmartFusion結(jié)合使用時。配備較大的A2F500 SmartFusion的開發(fā)套件。FPGA，混合信號頭上還有一些其他的模擬I / O?？赏ㄟ^TMCM-AC-840子板上的引腳接頭輕松訪問混合信號擴展接頭的所有信號。

TMCM-AC-840子板的主要特性：

一個BLDC電動機預(yù)驅(qū)動器TMC603A

o集成的雙量程高精度電流測量放大器

o支持使用功率分流更少電流測量MOS晶體管的RDSon

?hallFX?傳感器反EMF換向模擬霍爾傳感器

?集成先開后合化妝邏輯：沒有特別的微控制器的PWM所需的硬件

?見的TMC603A數(shù)據(jù)表以獲取更多信息［2］

?一個步進電機驅(qū)動器TMC262

o帶有步進和方向接口以及外部功率級的高分辨率高分辨率微步兩相步進驅(qū)動器

o高精度的無傳感器電機負(fù)載測量失速Guard2?

o通過自動負(fù)載相關(guān)的電機電流調(diào)節(jié)技術(shù)coolStep??實現(xiàn)節(jié)能和冷卻高達75％的能量！

o有關(guān)更多信息，請參見TMC262數(shù)據(jù)表［3］。

?一個直流無刷電機（Qmot QBL4208-41-04-006）

?馬克西姆微米額定電流1.8A，峰值電流5.4A，見馬達規(guī)格/用戶指南上的電氣和機械參數(shù)的詳細(xì)信息［6］

?一個步進電機（Qmot QSH4218-35-10-027）

o最大電流1.0A，有關(guān)電氣和機械參數(shù)的更多信息，請參見電動機規(guī)格/用戶指南［5］

?一個帶有國際連接器的便攜式電源，電壓為24V / 1A（1.3版及更高版本）

?硬頂盒，易于搬運和安全運輸（1.3版及更高版本）

?電路板和驅(qū)動器級支持步進驅(qū)動器模塊的最大電機電流高達2A，而BLDC驅(qū)動器模塊支持的最大電機電流為4A（散熱良好的5A）。

?使用可免費提供的演示設(shè)計（在BSD下）實現(xiàn)BLDC和步進器功能的簡便即插即用解決方案

?BLDC電機的霍爾傳感器接口

?ABN編碼器接口，用于高精度位置測量

o編碼器接口可與步進器或步進電機一起使用與BLDC電機配合使用。

?連接到Actel SmartFusion?設(shè)備的模擬模塊（信號調(diào)節(jié)模塊，SCB）的各種模擬信號，例如，用于電壓測量

?附加的RSENSE測量引腳

?混合信號擴展接頭的所有信號都可以通過以下引腳接頭訪問：測試和測量

?BLDC和步進電機驅(qū)動器的并聯(lián)運行

?與Actel SmartFusion?開發(fā)套件以及Actel SmartFusion?評估套件的引腳都兼容 。?

每個驅(qū)動器都需要單獨的DC電源電壓

o步進驅(qū)動器模塊（TMC262）：+ VM262 = 12V至40V

o BLDC驅(qū)動器模塊（TMC603A）：+ VM603 = 12V至48V

o使用跳線，兩個驅(qū)動器都可以使用一個電源

。SmartFusion

雙馬達控制套件包括：對于此演示設(shè)計，SmartFusion雙電機控制套件隨附以下內(nèi)容：

?SmartFusion評估套件板

?Trinamic TMCM-AC-840子板套件（包括2個電機）

?2條USB電纜，用于編程和UART連接到工作站

?MicrosemiLibero?軟件工具鏈

?FlashPro編程軟件

?1個電源單元

對于每個電機塊（步進或BLDC），您需要一個單獨的電源單元

–僅使用一個電源，一次只能驅(qū)動一臺電機

圖3。BLDC和逐步馬達演示設(shè)計基本原理

圖4。SmartFusion雙馬達控制套件外形圖：

上：SmartFusion評估板；下：TMCM-AC-840馬達控制子板

圖5.TMCM-AC-840控制馬達子板電路圖（1）

圖6.TMCM-AC-840馬達控制子板電路圖（2）

圖7.TMCM-AC-840馬達控制子板電路圖（3）

圖8.TMCM-AC-840馬達控制子板電路圖（4）

圖9.TMCM-AC-840馬達控制子板電路圖（5）

圖10.TMCM-AC-840馬達控制子板電路圖（6）

圖11.TMCM-AC-840馬達控制子板PCB布局圖

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