基于飛凌FET1052-C控制永磁同步交流伺服電機(jī)方案
一、前言介紹，背景描述
運(yùn)動(dòng)控制、精密控制是目前眾多行業(yè)設(shè)備的需求，為了使這些設(shè)備能以最佳的性能工作，采用經(jīng)過改進(jìn)的新型馬達(dá)控制技術(shù)是關(guān)鍵所在。能效的提高是趨勢所向，新技術(shù)同時(shí)還能帶來更多的優(yōu)勢，如實(shí)現(xiàn)更加平穩(wěn)的工作，大幅度降低噪聲水平。眾多制造商正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，馬達(dá)市場正在被更加高效的方案替代，如直流無刷(BLDC)和永磁同步電機(jī)(PMSM)。
近年來,采用全數(shù)字控制方法,以永磁交流電機(jī)為控制對(duì)象的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)正在逐漸取代以直流電機(jī)為控制對(duì)象的直流伺服系統(tǒng)和采用模擬控制技術(shù)的模擬式交流伺服系統(tǒng)。全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)采用矢量控制方法,可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制品質(zhì)。
利用NXP最新發(fā)布的i.MXRT1052高性能處理器可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)運(yùn)行的位置、速度和電機(jī)電樞電流的高精度控制。該產(chǎn)品完美融合了低功耗應(yīng)用處理器和高性能微控制器的優(yōu)勢。i.MX RT系列是業(yè)界首款跨界處理器，以實(shí)惠的價(jià)格提供超高性能 Arm? Cortex?-M內(nèi)核、實(shí)時(shí)功能和MCU可用性。
二、飛凌FET1052-C特點(diǎn)
1、運(yùn)行更快，響應(yīng)更快
采用Cortex-M7架構(gòu)，主頻528MHz，CoreMark 3020 /1284 DMIPS；512KB緊耦合內(nèi)存，中斷延遲低至20ns；行業(yè)最低的動(dòng)態(tài)功耗，帶集成DC-DC轉(zhuǎn)換器；
2、 擴(kuò)展更強(qiáng)，接口更多
核心板引出多達(dá)124個(gè)GPIO，原生支持LCD、Camera、USB、UART、CAN、Ethernet、PWM等功能接口；
3、數(shù)據(jù)加密，工業(yè)品質(zhì)
高可靠性引導(dǎo)(HAB)，帶實(shí)時(shí)QSPI Flash解密，128位AES加密和真隨機(jī)數(shù)生成器，板卡設(shè)計(jì)充分考慮信號(hào)完整性，保證最佳的電氣性能，-40-85℃溫度標(biāo)準(zhǔn) 保證在嚴(yán)酷環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行；
三、飛凌FET1052-C方案展示
1、PMSMs方案整體框圖
? RS232通訊接口電路用于PC機(jī)與FET1052-C核心板通訊的電平轉(zhuǎn)換；
? 速度模擬控制輸入接口電路用于速度控制信號(hào)以模擬的方式輸入；
? LCD顯示電路用于LCD顯示速度、人機(jī)交互等信息；
? 光電碼盤接口電路用于光電碼盤與i.MX RT1052的連接；
? 電流檢測電路用于U和V相電流的檢測；
? 驅(qū)動(dòng)、隔離電路用于隔離驅(qū)動(dòng)逆變電路；
2、電流檢測電路
i.MX RT 1052支持兩個(gè)高精度AD轉(zhuǎn)換控制器，每個(gè)控制器支持16個(gè)通道。高達(dá)12bit分辨率的線性逐次逼近算法，1MS/S的采樣速率，支持中斷與輪訓(xùn)方式采樣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的三相電壓采樣無需進(jìn)行相位補(bǔ)償。但由于是單極性的所以對(duì)交流采樣時(shí)要加提升電路，使交流信號(hào)電壓范圍在 0V～3.3V 之間。本方案中使用了3路 A/D 轉(zhuǎn)換輸入，分別為兩路電流檢測和一路模擬信號(hào)輸入采樣。電流檢測就是把交流電機(jī)的兩相定子電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，以方便處理。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)IA + IB + IC = 0，因此只要檢測其中兩路電流，就可以得到三相電流。由于霍爾元件輸出的是弱電流信號(hào)，因此，應(yīng)將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過濾波加法處理，由于霍爾電流傳感器的輸出為有正負(fù)方向的電流信號(hào)，而 i.MX RT 1052片內(nèi) A／D 轉(zhuǎn)換器為單極性輸入為 0～3.3V的電壓信號(hào)，因此要有電壓偏移電路。
特性：
? 配置寄存器
? 32 位字對(duì)齊的字節(jié)使能寄存器。（字節(jié)和半字訪問是不支持的）
? 帶 10/11 位精度的高達(dá) 12 位分辨率的線性逐次逼近算法。
? 最多 10 個(gè) ENOB（專用單端通道）
? 高達(dá) 1MS / s 的采樣率
? 最多 8 個(gè)單端外部模擬輸入
? 單次或連續(xù)轉(zhuǎn)換（單次轉(zhuǎn)換后自動(dòng)返回到空閑狀態(tài)）
? 輸出模式:8 位,10 位,12 位
? 可配置采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換速度/功率
? 轉(zhuǎn)換完成和硬件平均功能完成會(huì)產(chǎn)生標(biāo)志和中斷
? 輸入時(shí)鐘最多可選擇三個(gè)來源
? 可選擇異步時(shí)鐘源作為輸出時(shí)鐘，這樣可降低噪聲
? 可通過選擇硬件通道來選擇異步硬件轉(zhuǎn)換觸發(fā)
3、光電碼盤接口電路
i.MX RT 1052支持四路正交解碼器（ENC），利用來自位置/速度傳感器的 5 個(gè)輸入信號(hào)（ PHASEA， PHASEB， INDEX， TRIGGER 和 HOME），正交解碼器模塊對(duì)軸位置，轉(zhuǎn)數(shù)和速度進(jìn)行解碼，正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息。
i.MX RT1052正交解碼方塊圖
特性：
? 包括邏輯以解碼正交信號(hào)；
? 輸入可連接到通用定時(shí)器，以進(jìn)行低速度測量；
? 可配置的數(shù)字濾波器用于輸入；
? 正交解碼器濾波器可以被旁路；
? 可以進(jìn)行模數(shù)計(jì)數(shù)的 32 位的位置計(jì)數(shù)器；
? 位置計(jì)數(shù)器可以通過軟件或外部事件進(jìn)行初始化；
? 比較功能可以顯示軸何時(shí)到達(dá)了規(guī)定的位置；
? 看門狗定時(shí)器可以檢測到軸不旋轉(zhuǎn)的狀況；
? 可預(yù)加載的 16 位轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器；
?16位位置差異寄存器；
4、驅(qū)動(dòng)隔離電路
可使用由IR公司所生產(chǎn)的IR2132來驅(qū)動(dòng)G4PH50UD-E(IGBT)，構(gòu)建成三相逆變器。因?yàn)閕.MX RT1052所產(chǎn)生的PWM波形頻率比較高，用一般的低速光耦會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)時(shí)間變長，在低速，小負(fù)載時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到電機(jī)的低速性能，所以可選用高速光耦，有效提高逆變器的快速性。
i.MX RT1052最高支持32路PWM輸出，包含 PWM 子模塊，每個(gè)子模塊都設(shè)計(jì)為控制單個(gè)半橋功率級(jí)。 提供故障通道支持。 該 PWM 模塊可以產(chǎn)生各種開關(guān)模式，包括高度的復(fù)雜的波形。 支持控制所有已知的電機(jī)類型，也是控制不同開關(guān)模式電源（ SMPS）拓?fù)涞睦硐脒x擇。
特性：
? 支持 16 位分辨率的中心，邊緣對(duì)齊和非對(duì)稱 PWM 模式
? 可以作為互補(bǔ)對(duì)或獨(dú)立通道工作的 PWM 輸出
? 獨(dú)立控制每個(gè) PWM 輸出的兩個(gè)邊沿
? 支持與外部硬件或其他 PWM 同步
? 雙緩沖 PWM 寄存器
? 從 1 到 16 的積分重載率
? 半循環(huán)重載能力
? 可以通過硬件在每個(gè) PWM 周期內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)輸出觸發(fā)事件
5、RS232通訊、顯示電路
i.MX RT1052最高支持8路UART、2路CAN接口，方便擴(kuò)展其他功能應(yīng)用；支持8/16/24 位 LCD 接口，支持最大 1366×768 分辨率，支持4.3、7寸電阻觸摸，支持 8/16-bit MPU/8080 接口。支持2D圖形加速引擎，支持emWIN圖形界面；
飛凌嵌入式OK1052-C開發(fā)板支持裸機(jī)、FreeRTOS、ucLinux操作系統(tǒng)開發(fā)，方便客戶不同場合的產(chǎn)品應(yīng)用。MCU模式支持Keil、IAR、ARM-GCC等編譯器，同時(shí)還支持Amazon FreeRTOS、SDK、ARM mbed以及軟件庫、在線工具和相應(yīng)支持的全球 ARM 生態(tài)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)快速原型制作和開發(fā)。 MPU模式依然采用工程師最為熟悉的Ubuntu+GCC開發(fā)方式。
本次方案充分展示了FET1052-C在電機(jī)控制方面突出的性能優(yōu)勢以及接口豐富程度，如需兩個(gè)PMSM電機(jī)控制方案可以參考NXP官網(wǎng)應(yīng)用筆記AN12200（Dual FOC Servo Motor Control on i.MX RT）。
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