一種用于電機(jī)控制的微控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制的微控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來(lái)永磁同步電機(jī)(PMSM)與無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)、電動(dòng)車(chē)、無(wú)人機(jī)、空調(diào)、風(fēng)機(jī)等各種領(lǐng)域，而在該類(lèi)電機(jī)的控制系統(tǒng)中其主控芯片主要有DSP、FPGA、MCU、ASIC四類(lèi)。由于MCU芯片具有軟件可編程、開(kāi)發(fā)容易、控制靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于PMSM與BLDC的控制系統(tǒng)中。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2013年全球電機(jī)控制MCU芯片的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到100億美元，預(yù)計(jì)今后2年還會(huì)以10%的速度增長(zhǎng)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，BLDC基于MCU芯片的控制方案有方波控制方案與磁場(chǎng)定向(FOC)算法控制方案，不同的控制方案所需要的芯片資源有所不同。PMSM的控制方案主要采用的是磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法。
[0003]磁場(chǎng)定向控制(FOC)又稱(chēng)為矢量控制，是通過(guò)控制變頻器輸出電壓的幅值和頻率來(lái)控制三相電機(jī)的一種變頻驅(qū)動(dòng)控制方法，F(xiàn)OC算法是目前電機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種算法。FOC算法的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，在算法中需要同時(shí)采集三相線圈中的兩相線圈的電流Iu、Iv，然后Iu、Iv經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器方法后送向ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果再計(jì)算出另外一相線圈的電流Iw。在FOC算法中，進(jìn)行Park正反變換與Clark變換時(shí)需要計(jì)算三角函數(shù)。
[0004]在目前的電機(jī)控制領(lǐng)域，用戶在電機(jī)控制系統(tǒng)中所選用的MCU、DSP等主控芯片主要由國(guó)外各大半導(dǎo)體廠商提供。這些半導(dǎo)體廠商提供的芯片不僅可以應(yīng)用在電機(jī)控制領(lǐng)域，還可以用在家用電器、電表、LED控制等各領(lǐng)域，由于應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛導(dǎo)致芯片內(nèi)部的資源過(guò)于豐富，芯片成本增加。并且這些半導(dǎo)體廠商提供的芯片沒(méi)有針對(duì)電機(jī)控制的應(yīng)用做特定的優(yōu)化，用戶使用起來(lái)不方便。
[0005]有鑒于此，現(xiàn)有技術(shù)亟需要一種針對(duì)電機(jī)控制的高精度、多任務(wù)的微控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種針對(duì)電機(jī)控制的高精度、多任務(wù)以及高實(shí)時(shí)性的微控制器。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開(kāi)一種用于電機(jī)控制的微控制器，其特征在于，包括:一處理器，一存儲(chǔ)單元、一時(shí)鐘生成單元、一數(shù)學(xué)協(xié)處理器、一可編程模擬放大器單元、一模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及總線單元，該處理器、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘生成單元、數(shù)學(xué)協(xié)處理器、可編程模擬放大器單元以及該模數(shù)轉(zhuǎn)換器均通過(guò)該總線單元連接。
[0008]更進(jìn)一步地，該數(shù)學(xué)協(xié)處理器用于執(zhí)行除法運(yùn)算和/或三角函數(shù)運(yùn)算，該數(shù)學(xué)協(xié)處理器包括一運(yùn)算內(nèi)核，該運(yùn)算內(nèi)核的時(shí)鐘頻率是處理器的時(shí)鐘頻率的2倍。
[0009]更進(jìn)一步地，該運(yùn)算內(nèi)核包括一 CORDIC運(yùn)算模塊以及一除法器運(yùn)算模塊。
[0010]更進(jìn)一步地，該可編程模擬放大器單元包括兩個(gè)單端輸入或雙端輸入可選的差分結(jié)構(gòu)的可編程模擬放大器以及一單端輸入的可編程模擬放大器，該單端輸入的可編程模擬放大器用于對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)中的逆變器的母線小信號(hào)電壓進(jìn)行放大。
[0011]更進(jìn)一步地，該單端輸入或雙端輸入可選的差分結(jié)構(gòu)的可編程模擬放大器包括一正端輸入和一負(fù)端輸入，在該雙端輸入模式下，該正端輸入和負(fù)端輸入均有效，并對(duì)該正端輸入和該負(fù)端輸入的差值信號(hào)進(jìn)行放大；在該單端輸入模式下，該正端輸入和負(fù)端輸入僅一個(gè)有效，并對(duì)該有效的信號(hào)進(jìn)行放大。
[0012]更進(jìn)一步地，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于在同一時(shí)刻采集該電機(jī)的三相線圈電壓中的兩相線圈電壓。
[0013]更進(jìn)一步地，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括:第一采樣保持電路，用于采集并保持第一模擬信號(hào)；第二采樣保持電路，用于采集第二模擬信號(hào)；以及一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，該第一采樣保持電路和第二采樣保持電路均與該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路依次轉(zhuǎn)換該第一模擬信號(hào)和第二模擬信號(hào)。
[0014]更進(jìn)一步地，該可編程模擬放大器單元與該模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，該第一模擬信號(hào)和第二模擬信號(hào)為該可編程模擬放大器單元的輸出信號(hào)，該第一模擬信號(hào)和該第二模擬信號(hào)分別是第一、第二單端輸入或雙端輸入可選的差分結(jié)構(gòu)的可編程模擬放大器的輸出信號(hào)。
[0015]更進(jìn)一步地，該總線單元包括一高速總線以及一低速總線，該高速總線與低速總線通過(guò)一橋接器連接。
[0016]更進(jìn)一步地，該處理器、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘生成單元以及數(shù)學(xué)協(xié)處理器與該高速總線連接，該可編程模擬放大器單元以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)該低速總線連接。
[0017]更進(jìn)一步地，該單端輸入的可編程模擬放大器用于對(duì)該電機(jī)的三相逆變橋中對(duì)地的母線小信號(hào)電壓進(jìn)行放大，該放大后的母線小信號(hào)電壓經(jīng)一比較器比較后實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019]第一、本芯片中的數(shù)學(xué)協(xié)處理器(MATH)是采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)與除法運(yùn)算，其運(yùn)算速度是現(xiàn)有芯片軟件實(shí)現(xiàn)該類(lèi)運(yùn)算的100倍，更快的運(yùn)算速度可使芯片的控制實(shí)時(shí)性更好、響應(yīng)速度更快，同時(shí)由于處理器(CPU)不參與上述運(yùn)算(現(xiàn)有芯片的三角函數(shù)與除法運(yùn)算是用戶開(kāi)發(fā)軟件程序由CPU執(zhí)行運(yùn)算來(lái)完成的)，它可以在MATH運(yùn)算時(shí)執(zhí)行其他的功能，這又使得微控制器可以處理更多的任務(wù)。因此，使用本發(fā)明所提供的微控制器的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程將更加平穩(wěn)、噪音更低；并且能更快地對(duì)外部的控制信號(hào)作出實(shí)時(shí)的響應(yīng)變化。
[0020]第二、在數(shù)學(xué)協(xié)處理器(MATH)的實(shí)現(xiàn)方案中，運(yùn)算內(nèi)核的時(shí)鐘頻率可以是處理器的時(shí)鐘頻率的2倍，這個(gè)關(guān)于時(shí)鐘的創(chuàng)新可使的MATH協(xié)處理器的運(yùn)算速度更快。
[0021]第三、兩個(gè)單端輸入或雙端輸入可選的可編程模擬放大器(PGA1/2)可以滿足用戶對(duì)不同模擬信號(hào)的放大選擇，在電機(jī)控制的應(yīng)用中有時(shí)只需要對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大，因此選擇PGA1/2的雙端輸入可有效的、準(zhǔn)確的放大該差模信號(hào)，從而避免放大無(wú)用的共模信號(hào)，當(dāng)需要放大原始的模擬信號(hào)時(shí)就選擇單端輸入的PGA1/2。PGA(普通的可編程模擬放大器)用來(lái)檢測(cè)電機(jī)控制系統(tǒng)中的三相逆變橋的母線小信號(hào)電壓，與模擬比較器(COMPl) —起實(shí)現(xiàn)對(duì)三相逆變橋的過(guò)流檢測(cè)。
[0022]第四、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的雙采樣保持功能可實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻完成對(duì)電機(jī)三相線圈(Va，Vb，Vc)中的兩相電壓的采樣(另外一相電壓值通過(guò)計(jì)算可以得出)，最后三相線圈電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果是屬于同一時(shí)刻的值，這個(gè)創(chuàng)新對(duì)磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法的實(shí)現(xiàn)非常有益；同時(shí)ADC的轉(zhuǎn)換速度大于lMsps，這樣高速的ADC可以與高速的CPU配合完美的完成電機(jī)控制。
[0023]第五、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案除了用作電機(jī)控制的微控制器，還可以用在智能照明系統(tǒng)中的LED調(diào)光調(diào)色，由于芯片的時(shí)鐘頻率高，輸出的PWM波具有16位精度，因此用該芯片可以使LED的光譜范圍更加廣泛，并且LED的燈光抖動(dòng)更小。
【附圖說(shuō)明】
[0024]關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過(guò)以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。
[0025]圖1是本發(fā)明所提供的電機(jī)控制MCU芯片的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖2是本發(fā)明所提供的電機(jī)控制MCU芯片的MATH模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是本發(fā)明所提供的電機(jī)控制MCU芯片的ADC模塊、PGA模塊、COMl的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4是磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0030]本發(fā)明的目的在于提供一種尤其適用于電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制方案的MCU芯片，該芯片具有更高的控制精度、更高的控制實(shí)時(shí)性、控制算法對(duì)芯片CPU的運(yùn)行占用率更低從而使芯片CPU的多任務(wù)處理能力增強(qiáng)。
[0031]該MCU芯片包括:一處理器，一存儲(chǔ)單元、一時(shí)鐘生成單元、一數(shù)學(xué)協(xié)處理器、一可編程模擬放大器單元、一模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及總線單元，該處理器單元、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘生成單元、數(shù)學(xué)協(xié)處理器、可編程模擬放大器以