方案 | 世平基于靈動微 SPIN560C 的低壓無刷電機(jī)應(yīng)用方案

1、方案描述

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

2、硬件設(shè)計(jì)說明

2.1. 主控

采用的是 靈動微 MM32SPIN560C，使用高性能的 ARM Cortex-M0 為內(nèi)核的 32 位微控制器，最高工作頻率可達(dá) 96 MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的 I/O 端口和多種外設(shè)，包括：

128KB Flash，8KB SRAMB

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：

2.2. N-MOSFET

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

2.3. 電源設(shè)計(jì)

方案采用的電源芯片是圣邦微的 LDO SGM2225。其特點(diǎn)如下：

寬電壓輸入 Vin：3.6~36V

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℃

3、軟件設(shè)計(jì)說明

方案軟件部分采用世平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)，整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)清晰易懂。軟件采用雙環(huán)控制（電流環(huán)+速度環(huán)），矢量控制的框圖如下圖所示：

3.1. 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，有五段式、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。其實(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

3.2. Current Sensing

在電流環(huán)，軟件中的電流采樣選擇雙電阻采樣，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。

3.3. HALL 角度補(bǔ)償插值

在速度環(huán)，軟件采用基于對霍爾傳感器插值補(bǔ)償角度方法對電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度估計(jì)與控制。

3.4. 軟件架構(gòu)介紹

世平提供的 FOC 軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示，這套軟件具有如下特點(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。

靈動微電子官網(wǎng)附有 MM32SPIN560C 的全套低壓無刷電機(jī)套件軟件支持包，靈動微電子官網(wǎng)鏈接：https://www.mindmotion.com.cn/development_tools/info.aspx?itemid=3372

?場景應(yīng)用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

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 Mpbs
9. 支持單電阻 PWM 移相，降低單電阻算法復(fù)雜程度

?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