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杰開(kāi)科技:基于自研算法的電機(jī)控制方案助力國(guó)產(chǎn)汽車邁向電動(dòng)化時(shí)代
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杰開(kāi)科技專注于汽車電子芯片和相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì),其MCU系統(tǒng)應(yīng)用高級(jí)工程師王娟娟在本次研討會(huì)上分享了《基于自研算法的電機(jī)控制方案助力國(guó)產(chǎn)汽車邁向電動(dòng)化時(shí)代》這一主題。杰開(kāi)科技所有產(chǎn)品線均通過(guò)車規(guī)認(rèn)證,且每條產(chǎn)品線至少完成兩代以上量產(chǎn)迭代。
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AC7840x系列是杰開(kāi)科技首款基于ARM Cortex-M4F內(nèi)核的車規(guī)級(jí)MCU,符合ISO 26262功能安全ASIL-B,支持AUTOSAR 4.4并提供MCAL及配置工具?;贏C7840x,杰開(kāi)科技推出了兩大電機(jī)開(kāi)發(fā)板,分別支持單電機(jī)和雙電機(jī)的控制。
杰開(kāi)科技MCU系統(tǒng)應(yīng)用高級(jí)工程師 王娟娟
本次研討會(huì)上,王娟娟也對(duì)電機(jī)控制中MCU的資源性能要求,以及杰開(kāi)科技的MCU解決方案進(jìn)行了介紹。首先是電機(jī)控制中對(duì)算力的需求,需要在PWM斬波中斷里執(zhí)行相關(guān)的操作,所以需要考慮中斷負(fù)載率。杰開(kāi)科技的AC7840x MCU主頻高達(dá)120MHz,而且支持DSP、FPU,此外,F(xiàn)OC,AC7801x則支持硬件除法、硬件開(kāi)方根。杰開(kāi)科技通過(guò)內(nèi)聯(lián)函數(shù)、代碼優(yōu)化進(jìn)行了軟件優(yōu)化,充分利用的杰開(kāi)科技MCU的算力。
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另外電機(jī)控制中最主要的外設(shè)PWM對(duì)MCU提出了需求,比如PWM精度,精度越高電機(jī)的控制越精細(xì)。通道可互補(bǔ)、可同向,死區(qū)插入等等。
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無(wú)感方波控制也對(duì)比較器提出了需求,反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè),獲得過(guò)零點(diǎn)。需要三個(gè)比較器分別將3相電壓與中心電壓比較,從而獲得過(guò)零信號(hào)用于換相。杰開(kāi)科技的MCU優(yōu)勢(shì)就在于芯片內(nèi)部集成了比較器,無(wú)需外部器件,節(jié)省了成本和空間,同時(shí)擁有多個(gè)通道,可實(shí)現(xiàn)無(wú)感方波過(guò)零檢測(cè),其MCU產(chǎn)品還支持遲滯,避免在某個(gè)電壓點(diǎn)結(jié)果波動(dòng)。
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霍爾傳感器電機(jī)控制提出的另一大需求就是HALL檢測(cè),MCU不僅需要及時(shí)響應(yīng)外部HALL信號(hào)的變化,還要能夠讀取Hall狀態(tài),通過(guò)Hall信號(hào)計(jì)算電頻率。杰開(kāi)科技在其MCU處理方式上選擇了HALL捕獲模式,在每個(gè)HALL發(fā)生變化時(shí)觸發(fā)中斷從而做到邊緣檢測(cè),邊緣中斷時(shí)會(huì)將高低電平時(shí)間捕獲至寄存器,寄存器可以直接讀出HALL狀態(tài)。
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Qorvo:高配置性電機(jī)控制方案
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電機(jī)的應(yīng)用多種多樣,根據(jù)應(yīng)用的不同,電壓、電機(jī)種類等的不同,對(duì)于控制方案也提出了很多不同需求。針對(duì)不同的電機(jī)應(yīng)用,往往在方案以及平臺(tái)上也有不同選擇。那么有沒(méi)有可能用一個(gè)平臺(tái)應(yīng)對(duì)大部分的應(yīng)用?
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Qorvo 電機(jī)與電源應(yīng)用部門經(jīng)理 Calvin Li
Qorvo電機(jī)與電源應(yīng)用部門經(jīng)理 Calvin Li在本次研討會(huì)上就帶來(lái)了主題為《高配置性電機(jī)控制方案》的分享。
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顧名思義,高配置性的電機(jī)控制平臺(tái),意味著可以用一個(gè)平臺(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用。如何做到可配置?這要從馬達(dá)的幾個(gè)基本要求來(lái)談起,包括動(dòng)態(tài)啟動(dòng)(SIM)、初始位置檢測(cè)(IPD)、開(kāi)相檢測(cè)、失速檢測(cè)、調(diào)制方式(SPWM、SVM、OM、HI)等。在高階要求方面,則包括更快轉(zhuǎn)速、獲取馬達(dá)參數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整參數(shù)、待機(jī)啟動(dòng)等。
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Calvin Li從電源應(yīng)用控制器的數(shù)字部分軟件以及模擬部分的硬件兩方面講解了Qorvo是如何做到高配置性。
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除此之外,電源的效率一直以來(lái)都是不能忽略的一個(gè)性能參數(shù)。Qorvo在低功耗方面以PAC5256為例,冬眠模式在待機(jī)狀態(tài)下,330V情況時(shí)電流只有18微安,換算過(guò)來(lái)的待機(jī)功耗低至5.94mW,而一般來(lái)說(shuō)電源在待機(jī)時(shí),普遍經(jīng)過(guò)優(yōu)化后待機(jī)功率功率可以做到0.5-0.3W,極致的可以做到0.5W,因此不到6mW的待機(jī)功率是非常有優(yōu)勢(shì)的。
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而在MCU的生態(tài)上,Calvin Li表示在Qrovo官網(wǎng)上,為工程師提供了用戶指南、數(shù)據(jù)表等,同時(shí)提供參考設(shè)計(jì)以及EVK評(píng)價(jià)套件、SDK、為BLDC和永磁同步電機(jī)的參考固件以及GUIs。Qrovo從硬件、軟件、開(kāi)發(fā)到調(diào)試,都有整套支持團(tuán)隊(duì),同時(shí)其上海的研發(fā)和應(yīng)用團(tuán)隊(duì)為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)做了很多本土化文檔,這對(duì)于國(guó)內(nèi)工程師而言大大降低了上手難度。
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ADI:ADI Trinamic 運(yùn)動(dòng)控制解決方案
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ADI業(yè)務(wù)經(jīng)理高偉在本次研討會(huì)上帶來(lái)了主題為《ADI Trinamic 運(yùn)動(dòng)控制解決方案》的分享,主要從五個(gè)方面對(duì)ADI的Trinamic產(chǎn)品線進(jìn)行介紹,包括TMC運(yùn)動(dòng)控制方案、伺服控制解決方案、BLDC無(wú)感FOC控制、步進(jìn)伺服方案以及DC/Step功率驅(qū)動(dòng)方案。
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ADI業(yè)務(wù)經(jīng)理 高偉
高偉著重介紹了TMC4671,這是一款具有場(chǎng)向控制的伺服控制器,集成了增量式編碼器、數(shù)字霍爾傳感器、模擬霍爾傳感器、模擬正弦/余弦編碼器、2個(gè)通用ADCs。
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TMC4671較大的優(yōu)勢(shì)是將FOC算法集成到硬件,可以支持有刷、無(wú)刷、步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)PWM頻率可以達(dá)到100kHz,并可以支持配置(25kHz-100kHz),滿足低電感電機(jī)的控制。由于他的高動(dòng)態(tài)響應(yīng),現(xiàn)在越來(lái)越多產(chǎn)品上會(huì)使用到,比如電動(dòng)工具等。
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總體而言,ADI Trinamic解決方案包括一體機(jī)、模塊、控制+驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)、預(yù)驅(qū)等,比如一體機(jī)PANdrive可以提供集成了先進(jìn)數(shù)字和模擬IP的解決方案,同時(shí)還會(huì)將一些應(yīng)用控制包括加減速、FOC算法等集成到方案中,使用戶可以快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
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靈動(dòng)微電子:基于靈動(dòng)SPIN系列平臺(tái)化電機(jī)應(yīng)用解決方案
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靈動(dòng)成立于2011年,專注于MCU平臺(tái)與解決方案,在國(guó)內(nèi)32位通用MCU公司中位居前列,累計(jì)交付超4億顆。為了滿足客戶不同的要求,靈動(dòng)微電子打造了豐富的產(chǎn)品系列。其MCU產(chǎn)品家族包括MM32F(高性能微控制器)、MM32L(低功耗微控制器)、MM32A(汽車微控制器)、MM32 SPIN(電機(jī)與電源微控制器)、MM32W(無(wú)線微控制器)。其中,MM32 SPIN系列分為驅(qū)動(dòng)MCU、預(yù)驅(qū)MCU、專用MCU。
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圖:靈動(dòng)微電子市場(chǎng)經(jīng)理官兵
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電機(jī)控制對(duì)MCU有著更高的要求,包括高算力、高級(jí)定時(shí)器、ADC、專用外設(shè)、高集成。例如,高速風(fēng)筒需要把MCU做到手柄里,對(duì)產(chǎn)品的尺寸有一定的要求,此時(shí)就需要用高度集成方案。目前,針對(duì)電機(jī)控制領(lǐng)域,靈動(dòng)微電子已經(jīng)推出了多款高集成電機(jī)解決方案、電機(jī)專用MCU。
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具體來(lái)看,靈動(dòng)高集成電機(jī)解決方案集成了高壓預(yù)驅(qū)、LDO,比較器等,可用于DC供電的水泵、風(fēng)機(jī)方案等。例如MM32 SPIN560C,這是一顆工業(yè)級(jí)芯片,集成6N驅(qū)動(dòng)與5V LDO,官兵提到,該產(chǎn)品即將進(jìn)行AEC-Q100認(rèn)證,最高工作頻率達(dá) 96MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,豐富的 I/O 端口和多種外設(shè)。
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靈動(dòng)電機(jī)專用MCU具備轉(zhuǎn)子位置偵測(cè)、閉環(huán)啟動(dòng)、順逆風(fēng)接轉(zhuǎn)、霍爾相位自學(xué)習(xí)自校準(zhǔn)等特點(diǎn),靈活度更高,適用于市電供電水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等項(xiàng)目。例如MM32SPIN0280系列32位MCU,同樣是一顆工業(yè)級(jí)芯片,并且即將進(jìn)行AEC-Q100認(rèn)證。在性能上,該產(chǎn)品基于Arm Cortex-M0內(nèi)核,可用于高速吹風(fēng)筒、伺服驅(qū)動(dòng)器等。
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先楫半導(dǎo)體:先楫高性能RISC-V MCU HPM6000系列在電機(jī)控制領(lǐng)域的高端應(yīng)用
Grand View Research數(shù)據(jù)顯示,2021年永磁同步的市場(chǎng)規(guī)模是179億美元,預(yù)計(jì)2025年的市場(chǎng)規(guī)??蛇_(dá)223億美元。年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.7%。永磁同步市場(chǎng)不斷發(fā)展,這也帶動(dòng)了永磁同步電機(jī)需求量的快速上升。
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會(huì)議上,先楫半導(dǎo)體資深電機(jī)應(yīng)用專家周城提到,永磁同步電機(jī)可以通過(guò)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等改進(jìn)優(yōu)化反電勢(shì)波形,適用于醫(yī)療、變頻器、伺服、汽車等領(lǐng)域。常見(jiàn)的永磁同步電機(jī)控制策略有反電勢(shì)正弦波、反電勢(shì)梯形波兩種,反電勢(shì)正弦波基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制,反電勢(shì)梯形波基于霍爾或者電壓檢測(cè)的閉環(huán)控制。
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圖:先楫半導(dǎo)體資深電機(jī)應(yīng)用專家周城
先楫半導(dǎo)體致力于高性能嵌入式解決方案,產(chǎn)品包括微控制器、微處理器和周邊芯片,以及配套的開(kāi)發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)。目前已經(jīng)推出全球超高性能通用MCU系列——HPM6700/6400系列,高性價(jià)比通用MCU系列——HPM6300系列等產(chǎn)品。公司的產(chǎn)品具有主頻、采樣精度更高,電流環(huán)多軸同步化,豐富的外設(shè)接口,以及芯片能承受的溫度范圍會(huì)更寬等特點(diǎn)。
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先楫半導(dǎo)體的產(chǎn)品具備超高性能、高可靠性、高安全性等競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在超高性能方面,周城介紹到,HPM6000系列采用RISC-V架構(gòu),具備高效能、低功耗、高安全的特點(diǎn),應(yīng)用于智能工業(yè)、金融終端支付系統(tǒng)、邊緣計(jì)算及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。其中HPM6360的主頻達(dá)648 MHz,Coremark 跑分達(dá)到3390;HPM6750的主頻高提升到816 MHz,Coremark 跑分達(dá)到9220,超過(guò)國(guó)際多款高性能MCU。
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電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)器IC穩(wěn)步增長(zhǎng)
電機(jī)的正常工作離不開(kāi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的支持,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC包含了速度控制、力矩控制、位置控制及過(guò)載保護(hù)等功能,它可以根據(jù)輸入信號(hào),按照內(nèi)置的算法控制電機(jī)繞組電路流動(dòng)方向,從而控制電動(dòng)機(jī)的啟停與轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
一般來(lái)說(shuō),電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC集成了CMOS?控制電路和DMOS?功率器件,它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和繼電器等感性負(fù)載。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)控制,具有兩個(gè)使能控制端,在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作,有一個(gè)邏輯電源輸入端,使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測(cè)電阻,將變化量反饋給控制電路。
電子發(fā)燒友行業(yè)分析師 程文智
電子發(fā)燒友行業(yè)分析師程文智在今天的分享中表示,這幾年電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)器IC一直在增長(zhǎng),主要是因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)高性能和節(jié)能電機(jī)的需求不斷增加,消費(fèi)、家電、工業(yè),及汽車中采用BLDC電機(jī)越來(lái)越多。
據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)The?Insight?Partners統(tǒng)計(jì),2021年全球電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC市場(chǎng)規(guī)模為38.82億美元,預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到55.89億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.3%(2021-2028)。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的主要玩家有:TI、ST、ADI、英飛凌、安森美、羅姆、Allegro、東芝、Microchip和Qorvo等。這10家公司的份額超過(guò)了整個(gè)市場(chǎng)的60%以上。除此之外,還有瑞薩、松下、恩智浦,MPS、PI、邁來(lái)芯、峰岹科技、富滿微、普誠(chéng)科技、數(shù)明半導(dǎo)體、圣邦微、澎湃微、芯朋微、凌鷗創(chuàng)芯、必易微、拓爾微、瑞盟、艾為、思瑞浦、納芯微、誠(chéng)芯微、瞻芯、智芯、率能半導(dǎo)體、智浦欣微、芯北科技、巴丁微、晶致、禹創(chuàng)半導(dǎo)體、士蘭微、燦瑞科技、芯派科技、晶豐明源等等國(guó)內(nèi)外企業(yè)都有相關(guān)的產(chǎn)品。
從消費(fèi)地區(qū)層面來(lái)看,據(jù)QYResearch統(tǒng)計(jì),2020年,亞太占全球電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC市場(chǎng)份額達(dá)50.75%,其次為北美,占22.59%,歐洲占17.09%,拉美占5.52%,中東和非洲占4.05%。中國(guó)市場(chǎng)在過(guò)去幾年變化較快,2020年市場(chǎng)規(guī)模為7.2億美元,約占全球的25.48%,預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到10.1億美元,屆時(shí)全球占比將達(dá)到26.57%。
從產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看,2020年,消費(fèi)電子是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC最大的行業(yè)市場(chǎng),占比達(dá)到24.23%,工業(yè)及汽車領(lǐng)域,辦公用品緊隨其后,分別占比18.47%和15.02%。
電機(jī)控制器方面,主要以MCU為主,中國(guó)地區(qū)的MCU市場(chǎng)中,主要還是以海外廠商的MCU為主,前六大MCU廠商瑞薩電子、Microchip、ST、恩智浦、英飛凌和TI加起來(lái)超過(guò)了80%的市場(chǎng)份額。另外,國(guó)內(nèi)MCU企業(yè)這兩年發(fā)展迅速,目前在國(guó)內(nèi)上市的MCU相關(guān)企業(yè)有20家之多,還有BYD半導(dǎo)、輝芒微電子等處在上市進(jìn)程當(dāng)中,以及靈動(dòng)、小華半導(dǎo)體、芯旺微、沁恒微、極海科技、華芯微特、凌鷗創(chuàng)芯、領(lǐng)芯微等發(fā)展不錯(cuò)的MCU企業(yè)。
還有,在電機(jī)控制領(lǐng)域,這幾年有控制IC和驅(qū)動(dòng)器IC開(kāi)始集成化的趨勢(shì),不少?gòu)S商開(kāi)始采用SiP的方式將二者集成在一起。
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評(píng)論
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