【白皮書】RA6T2如何攻克新一代電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)中的挑戰(zhàn)（上）

一

概述

如今，許多電機(jī)控制系統(tǒng)都采用將電機(jī)控制算法燒寫到MCU的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。但由于需求的多樣化，控制算法也變得日益復(fù)雜，在使用一個(gè)MCU的情況下，不僅需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，還要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信和控制。這樣一來(lái)，開發(fā)人員必須比以往更多地考慮復(fù)雜的實(shí)時(shí)處理功能（如電機(jī)控制）與非實(shí)時(shí)處理功能（如系統(tǒng)控制）的共存。此外，為了在市場(chǎng)上具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，開發(fā)人員還面臨著及早上市和降低成本等重大挑戰(zhàn)。

本文將為您描述基于RA6T2 MCU的各種解決方案如何解決上述問(wèn)題。

二

電機(jī)控制

電機(jī)控制是一項(xiàng)由來(lái)已久的技術(shù)，大約有200年的歷史。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，電機(jī)分為多種類型，它們已經(jīng)發(fā)展成為支撐人類生活的重要技術(shù)。尤其是功能豐富且易于維護(hù)的電機(jī)，由于其控制比較復(fù)雜，通常采用對(duì)MCU進(jìn)行編程的方式來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

什么是逆變器？

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，逆變器是指將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置/電路。在家電和工業(yè)領(lǐng)域，它一般用于將交流電轉(zhuǎn)換為任何頻率或電壓。這樣做的優(yōu)勢(shì)是能源利用效率比采用恒頻商用電源的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高，因?yàn)槟孀兤骺梢栽谳^寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。

逆變器電路

逆變器電路通過(guò)以特定周期反復(fù)導(dǎo)通/關(guān)斷連接直流電源的晶體管來(lái)產(chǎn)生交流電壓。導(dǎo)通/關(guān)斷操作由MCU內(nèi)置的定時(shí)器輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。該輸出稱為PWM（脈寬調(diào)制）。電機(jī)的工作狀態(tài)、靜音程度和電源效率取決于生成該P(yáng)WM與切換導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)的速度有多快、精度有多高。

速度控制工作原理

下圖顯示了在MCU使用上述逆變器裝置控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的信號(hào)流。其中包含用于控制BLDC電機(jī)的MCU的軟件模塊和外設(shè)電路。

通過(guò)內(nèi)置MCU控制電機(jī)速度的原理圖

MCU將速度/轉(zhuǎn)矩命令轉(zhuǎn)換為參數(shù)，確定PI控制單元中的PWM占空比，然后輸出脈沖。盡管這種方式需要依賴于控制算法，但利用電機(jī)電流、分流電阻電流、霍爾元件和編碼器等，仍可將速度和轉(zhuǎn)子位置信息反饋給MCU，并執(zhí)行循環(huán)運(yùn)算。反復(fù)執(zhí)行該運(yùn)算可檢測(cè)并校正實(shí)際電機(jī)運(yùn)行相對(duì)于命令值的差值。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，需要在控制周期內(nèi)完成這一系列處理。因此，電機(jī)控制被稱為實(shí)時(shí)應(yīng)用。此外，通過(guò)縮短該控制周期可對(duì)電機(jī)進(jìn)行精密控制，從而使電機(jī)應(yīng)用響應(yīng)快、效率高。

三

新一代電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)中的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，我們來(lái)看一下開發(fā)人員在開發(fā)新一代電機(jī)控制設(shè)備時(shí)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。大致說(shuō)來(lái)，關(guān)鍵點(diǎn)在于首先要滿足實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制系統(tǒng)所需的性能，同時(shí)構(gòu)建開發(fā)環(huán)境以使其及時(shí)上市。

1

滿足更高的性能和處理復(fù)雜性要求：

如上所述，電機(jī)控制本身可以檢測(cè)命令值與實(shí)際電機(jī)運(yùn)行之間的差值并反復(fù)進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和高效率，必須進(jìn)一步縮短控制周期，并在該控制周期內(nèi)完成電機(jī)控制計(jì)算。但是，由于附加處理功能（用于實(shí)現(xiàn)附加功能）與非實(shí)時(shí)處理功能（如通信和整個(gè)系統(tǒng)的控制）共存，因此MCU需要具備強(qiáng)大的處理能力，才能在電機(jī)市場(chǎng)上取得成功。

2

構(gòu)建電機(jī)控制的評(píng)估環(huán)境：

為了控制各種電機(jī)，需要了解每種電機(jī)的特性，并開發(fā)相應(yīng)的硬件以對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。這需要花費(fèi)大量的工程時(shí)間。此外，對(duì)于新MCU，還需要移植或從頭開始創(chuàng)建軟件以實(shí)現(xiàn)外設(shè)功能（如控制算法和內(nèi)置于MCU的PWM定時(shí)器），這會(huì)耗費(fèi)大量的開發(fā)時(shí)間。

這些常見的電機(jī)控制問(wèn)題可以使用RA6T2來(lái)解決。RA6T2是一款RA產(chǎn)品家族ASSP產(chǎn)品，用于電機(jī)控制和電機(jī)開發(fā)解決方案，其中包含開發(fā)工具包、應(yīng)用筆記和開發(fā)工具等。首先，我們來(lái)看一下應(yīng)對(duì)第一項(xiàng)挑戰(zhàn)的方法。

四

RA6T2專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)

RA6T2是一款可實(shí)現(xiàn)新一代電機(jī)應(yīng)用所需的實(shí)時(shí)控制性能的MCU。瑞薩過(guò)去開發(fā)了大量用于電機(jī)控制的MCU，其中內(nèi)置的PWM定時(shí)器和模擬功能經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)更為高級(jí)的控制。采用Arm Cortex-M內(nèi)核的RA產(chǎn)品家族繼承了這一優(yōu)秀基因，并且發(fā)展出了面向電機(jī)控制的ASSP產(chǎn)品。最先發(fā)布的是搭載Arm Cortex-M4的RA6T1。RA6T2是最近推出的產(chǎn)品，也是第二款搭載Arm Cortex-M33內(nèi)核的產(chǎn)品，其工作頻率為240MHz。這些MCU是實(shí)時(shí)引擎，將32位電機(jī)定時(shí)器和增強(qiáng)的模擬功能與瑞薩的原始閃存相結(jié)合。

RA6T2有兩項(xiàng)主要的硬件改進(jìn)——內(nèi)置高速閃存和加速器，旨在實(shí)現(xiàn)新一代電機(jī)控制所需的高實(shí)時(shí)性能。

高速閃存

通常，當(dāng)CPU訪問(wèn)慢速存儲(chǔ)器時(shí)，會(huì)使用高速緩存來(lái)減少這種開銷，因?yàn)樗鼤?huì)等待訪問(wèn)完成。但是，在電機(jī)控制程序中，由于頻繁的分支處理和中斷，會(huì)出現(xiàn)緩存未命中和性能下降的情況。因此，RA6T2內(nèi)置了瑞薩獨(dú)有的120MHz零等待訪問(wèn)高速閃存，即使在緩存未命中的情況下也有助于減少損失，并實(shí)現(xiàn)較少波動(dòng)的實(shí)時(shí)性能。

用于電機(jī)控制的加速器

RA6T2配備了兩個(gè)硬件加速器，即TFU（三角函數(shù)單元）和IIRFA（IIR濾波器加速器），用于高速電機(jī)控制運(yùn)算。TFU負(fù)責(zé)處理sinf、cosf、atan2f和hypotf函數(shù)的快速計(jì)算，這在矢量控制的dq轉(zhuǎn)換中十分有用。同樣，IIRFA可應(yīng)用于陷波濾波器以抑制機(jī)械諧振。由于系數(shù)和延遲數(shù)據(jù)可以保存在本地存儲(chǔ)器中，因此可以簡(jiǎn)單地通過(guò)設(shè)置輸入值來(lái)獲得計(jì)算結(jié)果。這些加速器僅支持電機(jī)控制的基本要素，這使它們可以輕松應(yīng)用于各種現(xiàn)有算法。

這兩項(xiàng)功能都專門針對(duì)實(shí)時(shí)性能，可以減少性能波動(dòng)并顯著減輕CPU負(fù)荷。因此，可以通過(guò)縮短控制周期來(lái)增添快速響應(yīng)和高效率控制以及非實(shí)時(shí)處理能力。

除了可提高實(shí)時(shí)性能外，RA6T2還具有48引腳、64引腳和100引腳LQFP封裝三種選擇。這些封裝在功能上相互兼容，并且引腳分配可擴(kuò)展，因此即使采用不同的封裝，仍可彼此輕松共享開發(fā)資產(chǎn)。這使得開發(fā)一個(gè)支持多模型開發(fā)（白色家電和工業(yè)設(shè)備）的平臺(tái)成為可能，并可及早將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。此外，還提供48引腳和64引腳QFN封裝，可滿足電動(dòng)工具、機(jī)器人和無(wú)人機(jī)等設(shè)備的小尺寸需求。

未完待續(xù)