一種用于電機控制的微控制器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電機控制技術領域，尤其涉及一種用于電機磁場定向矢量控制的微控制器。
【背景技術】
[0002]近些年來永磁同步電機(PMSM)與無刷直流電機(BLDC)廣泛應用于工業(yè)系統(tǒng)、電動車、無人機、空調(diào)、風機等各種領域，而在該類電機的控制系統(tǒng)中其主控芯片主要有DSP、FPGA、MCU、ASIC四類。由于MCU芯片具有軟件可編程、開發(fā)容易、控制靈活、成本低等優(yōu)點，因此被廣泛應用于PMSM與BLDC的控制系統(tǒng)中。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2013年全球電機控制MCU芯片的市場規(guī)模達到100億美元，預計今后2年還會以10%的速度增長。根據(jù)應用領域不同，BLDC基于MCU芯片的控制方案有方波控制方案與磁場定向(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定向控制(FOC)算法。
[0003]磁場定向控制(FOC)又稱為矢量控制，是通過控制變頻器輸出電壓的幅值和頻率來控制三相電機的一種變頻驅(qū)動控制方法，F(xiàn)OC算法是目前電機控制領域應用最為廣泛的一種算法。FOC算法的結構框圖如圖4所示，在算法中需要同時采集三相線圈中的兩相線圈的電流Iu、Iv，然后Iu、Iv經(jīng)過運算放大器方法后送向ADC進行轉換，根據(jù)轉換的結果再計算出另外一相線圈的電流Iw。在FOC算法中，進行Park正反變換與Clark變換時需要計算三角函數(shù)。
[0004]在目前的電機控制領域，用戶在電機控制系統(tǒng)中所選用的MCU、DSP等主控芯片主要由國外各大半導體廠商提供。這些半導體廠商提供的芯片不僅可以應用在電機控制領域，還可以用在家用電器、電表、LED控制等各領域，由于應用領域的廣泛導致芯片內(nèi)部的資源過于豐富，芯片成本增加。并且這些半導體廠商提供的芯片沒有針對電機控制的應用做特定的優(yōu)化，用戶使用起來不方便。
[0005]有鑒于此，現(xiàn)有技術亟需要一種針對電機控制的高精度、多任務的微控制器?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】
[0006]為了克服現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本實用新型提供一種針對電機控制的高精度、多任務以及高實時性的微控制器。
[0007]為了實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型公開一種用于電機控制的微控制器，其特征在于，包括:一處理器，一存儲單元、一時鐘生成單元、一數(shù)學協(xié)處理器、一可編程模擬放大器單元、一模數(shù)轉換器以及總線單元，該處理器單元、存儲單元、時鐘生成單元、數(shù)學協(xié)處理器、可編程模擬放大器以及該模數(shù)轉換器均通過該總線單元連接。
[0008]更進一步地，該數(shù)學協(xié)處理器用于執(zhí)行除法運算和/或三角函數(shù)運算，該數(shù)學協(xié)處理器包括一運算內(nèi)核，該運算內(nèi)核的時鐘頻率是處理器的時鐘頻率的2倍。
[0009]更進一步地，該運算內(nèi)核包括一 CORDIC運算模塊以及一除法器運算模塊。
[0010]更進一步地，該可編程模擬放大器單元包括兩個單端輸入或雙端輸入可選的差分結構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電機控制系統(tǒng)中的逆變器的母線小信號電壓進行放大。
[0011]更進一步地，該單端輸入或雙端輸入可選的差分結構的可編程模擬放大器包括一正端輸入和一負端輸入，在該雙端輸入模式下，該正端輸入和負端輸入均有效，并對該正端輸入和該負端輸入的差值信號進行放大；在該單端輸入模式下，該正端輸入和負端輸入僅一個有效，并對該有效的信號進行放大。
[0012]更進一步地，該模數(shù)轉換器用于在同一時刻采集該電機的三相線圈電壓中的兩相線圈電壓。
[0013]更進一步地，該模數(shù)轉換器包括:第一采樣保持電路，用于采集并保持第一模擬信號；第二采樣保持電路，用于采集第二模擬信號；以及一模數(shù)轉換電路，該第一采樣保持電路和第二采樣保持電路均與該模數(shù)轉換電路連接，該模數(shù)轉換電路依次轉換該第一模擬信號和第二模擬信號。
[0014]更進一步地，該可編程模擬放大器單元與該模數(shù)轉換器連接，該第一模擬信號和第二模擬信號為該可編程模擬放大器單元的輸出信號，該第一模擬信號和該第二模擬信號分別是第一、第二單端輸入或雙端輸入可選的差分結構的可編程模擬放大器的輸出信號。
[0015]更進一步地，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一橋接器連接。
[0016]更進一步地，該處理器、存儲單元、時鐘生成單元以及數(shù)學協(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)轉換器通過該低速總線連接。
[0017]更進一步地，該單端輸入的可編程模擬放大器用于對該電機的三相逆變橋中對地的母線小信號電壓進行放大，該放大后的母線小信號電壓經(jīng)一比較器比較后實現(xiàn)過流檢測。
[0018]與現(xiàn)有技術相比較，本實用新型的優(yōu)點在于:
[0019]第一、本芯片中的數(shù)學協(xié)處理器(MATH)是采用硬件電路來實現(xiàn)三角函數(shù)與除法運算，其運算速度是現(xiàn)有芯片軟件實現(xiàn)該類運算的100倍，更快的運算速度可使芯片的控制實時性更好、響應速度更快，同時由于處理器(CPU)不參與上述運算(現(xiàn)有芯片的三角函數(shù)與除法運算是用戶開發(fā)軟件程序由CPU執(zhí)行運算來完成的)，它可以在MATH運算時執(zhí)行其他的功能，這又使得微控制器可以處理更多的任務。因此，使用本實用新型所提供的微控制器的電機運轉過程將更加平穩(wěn)、噪音更低；并且能更快地對外部的控制信號作出實時的響應變化。
[0020]第二、在數(shù)學協(xié)處理器(MATH)的實現(xiàn)方案中，運算內(nèi)核的時鐘頻率可以是處理器的時鐘頻率的2倍，這個關于時鐘的創(chuàng)新可使的MATH協(xié)處理器的運算速度更快。
[0021]第三、兩個單端輸入或雙端輸入可選的可編程模擬放大器(PGA1/2)可以滿足用戶對不同模擬信號的放大選擇，在電機控制的應用中有時只需要對差模信號進行放大，因此選擇PGA1/2的雙端輸入可有效的、準確的放大該差模信號，從而避免放大無用的共模信號，當需要放大原始的模擬信號時就選擇單端輸入的PGA1/2。PGA(普通的可編程模擬放大器)用來檢測電機控制系統(tǒng)中的三相逆變橋的母線小信號電壓，與模擬比較器(COMPl) —起實現(xiàn)對三相逆變橋的過流檢測。
[0022]第四、模數(shù)轉換器(ADC)的雙采樣保持功能可實現(xiàn)在同一時刻完成對電機三相線圈(Va，Vb，Vc)中的兩相電壓的采樣(另外一相電壓值通過計算可以得出)，最后三相線圈電壓的轉換結果是屬于同一時刻的值，這個創(chuàng)新對磁場定向控制(FOC)算法的實現(xiàn)非常有益；同時ADC的轉換速度大于lMsps，這樣高速的ADC可以與高速的CPU配合完美的完成電機控制。
[0023]第五、本實用新型所提供的技術方案除了用作電機控制的微控制器，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的燈光抖動更小。
【附圖說明】
[0024]關于本實用新型的優(yōu)點與精神可以通過以下的實用新型詳述及所附圖式得到進一步的了解。
[0025]圖1是本實用新型所提供的電機控制MCU芯片的結構框圖；
[0026]圖2是本實用新型所提供的電機控制MCU芯片的MATH模塊的結構示意圖；
[0027]圖3是本實用新型所提供的電機控制MCU芯片的ADC模塊、PGA模塊、COMl的結構示意圖；
[0028]圖4是磁場定向控制(FOC)算法的結構框圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施例。
[0030]本實用新型的目的在于提供一種尤其適用于電機磁場定向矢量控制方案的MCU芯片，該芯片具有更高的控制精度、更高的控制實時性、控制算法對芯片CPU的運行占用率更低從而使芯片CPU的多任務處理能力增強。
[0031]該MCU芯片包括:一處理器，一存儲單元、一時鐘生成單元、一數(shù)學協(xié)處理器、一可編程模擬放大器單元、一模數(shù)轉換器以及總線單元，該處理器單元、存儲單元、時鐘生成單元、數(shù)