基于靈動(dòng)MM32SPIN560C的低壓無刷電機(jī)應(yīng)用方案

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方案描述

針對低壓無刷電機(jī)，大聯(lián)大世平集團(tuán)推出基于靈動(dòng)股份MM32SPIN560C 的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。由于MM32SPIN560C 內(nèi)部集成了一部分驅(qū)動(dòng)電路，所以方案外圍電路比較簡單。該方案適用于多種應(yīng)用場合，如空氣凈化器、服務(wù)器風(fēng)機(jī)、吊扇、落地扇、電動(dòng)手工具、吸塵器、無人機(jī)電調(diào)、小型水泵等。

1.1 硬件設(shè)計(jì)說明

1.1.1 主控

主控部分，采用的是靈動(dòng)股份MM32SPIN560C，一款基于高性能Arm Cortex-M0 為內(nèi)核的32 位微控制器。MM32SPIN560C最高工作頻率可達(dá) 96 MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有豐富的 I/O 端口和多種外設(shè)，包括：

128KB Flash，8KB SRAM

包含 12 位的 ADC，采樣速度高達(dá) 3Msps

5 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)針對電機(jī)控制的 PWM 高級定時(shí)器

1 個(gè) I2C 接口、2 個(gè) SPI 接口和 3 個(gè) UART 接口

針對電機(jī)應(yīng)用內(nèi)置 3 個(gè)運(yùn)放，3 個(gè)比較器

內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的 48MHz 高速振蕩器

內(nèi)置預(yù)驅(qū)工作電壓 7V ～ 48V

5V LDO 穩(wěn)壓器，輸入電壓最高 13.5V

提供 QFN48 封裝

MM32SPIN560C 框圖如下圖所示：

1.1.2 N-MOSFET

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，采用 6 顆 N-MOS 管來做電機(jī)的電子換相控制，并選擇 Nexperia 的 PXN012-60QL芯片。PXN012-60QL 體積小、功耗低、漏源電壓（VDSS）可達(dá)到 60V，連續(xù)漏電流（Id）可達(dá)到 42A，開關(guān)頻率可達(dá)到 30KHz 以上。

1.1.3 電源設(shè)計(jì)

電源部分，采用了圣邦微 LDO SGM2225電源芯片。其特點(diǎn)如下：

寬電壓輸入 Vin：3.6V～ 36V

輸出電壓可調(diào) Vout：1.8V ～ 15V

最大輸出電流 Iout：800mA

低噪音、低損耗電壓

封裝小，最小封裝大小為 3*3mm

過流/短路保護(hù)

過熱保護(hù)

工作溫度范圍：-40℃ ～ 125℃

方案原理圖：

PCB Layout：

1.2 軟件設(shè)計(jì)說明

軟件部分，采用的是世平HALL FOC 雙電阻采樣的軟件庫架構(gòu)，通過板載電位器使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，如此一來，整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)清晰易懂。同時(shí)，還采用了雙環(huán)控制（電流環(huán)+速度環(huán)），詳情可見矢量控制框圖，如下所示：

1.2.1 SVM

空間矢量脈寬調(diào)制（SVM）是FOC的基礎(chǔ)，是根據(jù)其所在扇區(qū)選擇非零矢量與零矢量合成而成。SVM有三種類型：五段式、七段式、混合式。七段式開關(guān)次數(shù)較多，但諧波較??；五段式開關(guān)次數(shù)是七段式的一半，但諧波較大，代碼采用的是七段式。SVM的實(shí)現(xiàn)流程大致如下：

1

判斷合成矢量所在扇區(qū)

2

計(jì)算相鄰矢量作用時(shí)間

3

計(jì)算各橋臂導(dǎo)通時(shí)間

4

得到各相PWM占空比

5

更新相應(yīng)寄存器值

1.2.2 Current Sensing

在電流環(huán)，選擇雙電阻采樣，通過采樣 V 和 W 相的下橋臂電阻上的壓降，再用基爾霍夫電流定律計(jì)算第三相（U 相）的電流。

1.2.3 HALL 角度補(bǔ)償插值

在速度環(huán)，軟件采用霍爾傳感器插值補(bǔ)償角度方法，對電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度進(jìn)行估計(jì)與控制。

1.2.4 軟件架構(gòu)介紹

世平提供的 FOC 軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示，這套軟件具有以下特點(diǎn)：

1

時(shí)序清晰

僅使用一個(gè)常用中斷，減少可能的時(shí)序沖突和 BUG。

2

便于移植

算法層、驅(qū)動(dòng)層、數(shù)學(xué)庫完全獨(dú)立，軟硬件配置完全剝離，互不干擾。

3

定標(biāo)統(tǒng)一

統(tǒng)一 Q15 小數(shù)定標(biāo)。

4

函數(shù)模塊化

邏輯清晰的狀態(tài)機(jī)，簡潔明了的狀態(tài)切換。

5

配置方便

主要參數(shù)配置意義明確，可視化。

靈動(dòng)股份官網(wǎng)附有 MM32SPIN560C 的全套低壓無刷電機(jī)套件軟件支持包，詳情請見靈動(dòng)股份官網(wǎng)鏈接：

https://www.mindmotion.com.cn/support/development_tools/evaluation_boards/motor_dk/mm32spin560c/

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場景應(yīng)用圖

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產(chǎn)品實(shí)體圖

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展示板照片

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方案方塊圖

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核心技術(shù)優(yōu)勢

1

Arm Cortex-M0 32 位 MCU，主頻高達(dá) 96 MHz，內(nèi)置預(yù)驅(qū)、比較器和放大器，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路簡單

2

MCU 電源使用 5V，可由 MCU 內(nèi)部 LDO 轉(zhuǎn)換

3

支持有傳感器/無傳感器的 BLDC/PMSM 電機(jī)

4

支持 1/2 Shunt R 三相電流采樣

5

可通過跳線選擇不同的電機(jī)回授方式，比如：HALL、BEMF、IPD 等

6

支持 DC Bus 電壓, 總電流量測

7

使用 MCU 內(nèi)建比較器作為過電流保護(hù)

8

ADC 采樣速率高達(dá) 3 Mbps

9

支持單電阻 PWM 移相，降低單電阻算法復(fù)雜程度

7?

方案規(guī)格

1

MCU：Arm Cortex-M0 32-bit 內(nèi)核，主頻高達(dá) 96MHz

2

MCU 電源使用 5V，可由 MCU 內(nèi)部 LDO 轉(zhuǎn)換

3

支持 UART 通訊 & LIN 通訊

4

支持 2 種電源輸入接口：DC-Jack 和接線端子

5

使用 60V/40A N-MOS 管 * 6

6

支持 2 種 SWD 調(diào)試接口

7

支持 2 種調(diào)速接口：電位器和外接電壓

8

具備 LED 指示燈 & 按鍵

9

開發(fā)板尺寸 : 65 * 75 mm

關(guān)于靈動(dòng)

上海靈動(dòng)微電子股份有限公司成立于 2011 年，是中國本土領(lǐng)先的通用 32 位 MCU 產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商。公司基于 Arm Cortex-M 系列內(nèi)核開發(fā)的 MM32 MCU 產(chǎn)品擁有 F/L/A/SPIN/W 五大系列，目前已量產(chǎn) 200多款型號，累計(jì)交付超4億顆，每年都有近億臺配備了靈動(dòng) MM32MCU 的優(yōu)秀產(chǎn)品交付到客戶手中，在本土通用 32 位 MCU 公司中位居前列。

靈動(dòng)客戶涵蓋智能工業(yè)、汽車電子、通信基建、醫(yī)療健康、智慧家電、物聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人設(shè)備、手機(jī)和電腦等應(yīng)用領(lǐng)域。靈動(dòng)是中國為數(shù)不多的同時(shí)獲得了 Arm-KEIL、IAR、SEGGER 官方支持的本土 MCU 公司，并建立了獨(dú)立、完整的通用 MCU 生態(tài)體系。靈動(dòng)始終秉承著“誠信、承諾、創(chuàng)新、合作”的精神，為客戶提供從硬件芯片到軟件算法、從參考方案到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全方位支持。