1us電流環(huán)！先楫HPM6000系列芯片實現(xiàn)高效電機控制

不管是工業(yè)自動化領(lǐng)域，還是汽車領(lǐng)域，抑或是生活家電領(lǐng)域，各個終端市場對電機性能都提出了更高的要求。它們不僅需要電機能夠做到高效率和多功能控制，還需要電機在追求高轉(zhuǎn)速的同時實現(xiàn)低噪音低振動的控制效果。在與日俱增的高標準性能要求下，高性能成了電機芯片競爭的關(guān)鍵。

縱觀整個電機控制芯片市場，從低成本通用伺服驅(qū)控到中高性能通用伺服驅(qū)控，長于控制的MCU單芯片方案都是最常見且最受歡迎的，而且現(xiàn)在VC/FOC功能幾乎已成為電機MCU的標配，是體現(xiàn)控制能力的核心競爭力。

雖然嚴格來說，VC和FOC二者概念上是有差異的，但在大多數(shù)場景里，二者指的是同一種控制方法。VC矢量控制(Vector Control)將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，是目前無刷直流電機(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)高效控制的最優(yōu)方法之一。

VC矢量控制不僅解決了自然坐標系上實現(xiàn)電機速度、電流閉環(huán)負反饋控制難的問題，而且保證了優(yōu)良的速度、轉(zhuǎn)矩輸出性能，在工控、汽車、家用、3D打印等行業(yè)得到了迅速的發(fā)展，成為主流電機控制的基本架構(gòu)，其控制原理如下圖所示：

圖1 VC原理

如上圖所示，VC矢量控制的核心源自于閉環(huán)負反饋，因此其帶寬是電機控制產(chǎn)品最重要的衡量指標之一。具體來說，高帶寬能夠帶來更快的指令響應(yīng)時間和更優(yōu)異的高頻擾動抑制能力，這種能力最終體現(xiàn)在電機層面上的是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和電機抖動。

而代碼執(zhí)行時間決定了帶寬，是電機控制產(chǎn)品不可逾越的指標之一，這也造成了目前市場上電機控制產(chǎn)品性能輸出有差異的現(xiàn)象。歸根結(jié)底，電機控制的差異取決于芯片性能。其限制因素特別體現(xiàn)在以下三個方面：

主控芯片主頻限制：芯片主頻不夠高，無法做到高速運算，以及提升帶寬;

外環(huán)代碼執(zhí)行限制：內(nèi)環(huán)代碼通過原廠提供的硬件化方法可以執(zhí)行很快，但是外環(huán)代碼執(zhí)行依舊不夠快;

代碼硬件化限制：芯片所有代碼硬件化，卻產(chǎn)生了開發(fā)難以及無法做一些常見電機控制算法等問題。

因此想要實現(xiàn)更優(yōu)秀的控制性能，電機控制MCU的選擇非常關(guān)鍵。上海先楫半導(dǎo)體已經(jīng)量產(chǎn)的RISC-V內(nèi)核HPM6700/6400系列芯片抓住了上述主要矛盾，通過提升主頻來解決電機控制行業(yè)的痛點，得益于RISC-V本身的簡潔性和模塊化設(shè)計，CPU能運行在更高的頻率，帶來更高的性能。以HPM6700/6400系列芯片為例，參數(shù)如下圖所示：

圖2 先楫HPM6700/6400系列芯片

HPM6700/6400系列高性能MCU展示了先楫半導(dǎo)體高性能芯片的研發(fā)實力，HPM6700/6400系列主頻高達816MHz，不僅能夠解決上文提到的電機控制性能的三大限制，而且契合現(xiàn)在電機多核驅(qū)控一體的發(fā)展趨勢。HPM6700/6400系列還為電機系統(tǒng)提供了精度達2.5ns的4組共32路PWM輸出以及4個正交編碼器接口和4個霍爾傳感器接口，完美適配高性能電機控制和數(shù)字電源運動控制系統(tǒng)。

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先楫HPM6000系列芯片的1us電流環(huán)

圖3 案例時序

案例使用先楫HPM6000系列芯片—HPM6400系列與HPM6300系列，采用圖3所示的電流環(huán)時序，分別使用HPM6400系列與HPM6300系列芯片實測VC矢量控制中的電流環(huán)執(zhí)行時間。具體而言：從提升電流內(nèi)環(huán)帶寬的角度出發(fā)，將圖1中的VC結(jié)構(gòu)劃分為外環(huán)(位置速度環(huán))、內(nèi)環(huán)(電流環(huán))，如圖4所示：

圖4 等效VC結(jié)構(gòu)

在VC矢量控制中，由于采用了坐標變換，dq軸電流在穩(wěn)態(tài)情況下都是直流給定，而只在加減速或者突加減負載的時候，速度環(huán)會等效輸出一個階躍指令，電流環(huán)的帶寬就是電流環(huán)能夠以多快的速度去響應(yīng)這個指令，帶寬越大響應(yīng)越快。所以說電流環(huán)執(zhí)行時間直接決定了電流環(huán)的帶寬，是電機控制產(chǎn)品必須考量的指標。

結(jié)果，先楫半導(dǎo)體已量產(chǎn)系列芯片實測的電流環(huán)執(zhí)行時間如下圖所示：

圖5 HPM6400、6300系列芯片電流環(huán)執(zhí)行時間實測數(shù)據(jù)

如圖5所示，HPM6300系列芯片的電流環(huán)執(zhí)行時間接近1us，HPM6400系列電流環(huán)執(zhí)行時間更是控制在1us以內(nèi)，該優(yōu)勢不僅能夠提升帶寬，更是說明了先楫高性能芯片能夠帶來高速運算能力，實現(xiàn)復(fù)雜電機控制算法(如多電機同步、參數(shù)辨識、SVC(Senseless Vector Control)、諧波注入等)與電流環(huán)的同步，甚至是以更高的頻率執(zhí)行。在高性能先楫HPM6000系列芯片的加持下，電機產(chǎn)品能夠不失精度地展現(xiàn)出更優(yōu)異的控制性能。

高性能電機控制

HPM6000系列芯片介紹

HPM6700/6400系列為HPM6000系列的旗艦產(chǎn)品，采用RISC-V內(nèi)核(*67為雙核，64為單核)，主頻達816MHz，憑借先楫半導(dǎo)體的創(chuàng)新總線架構(gòu)、高效的L1緩存和本地存儲器，創(chuàng)下了高達9220CoreMark和高達4651 DMIPS 的MCU性能新紀錄。

除了高算力RISC-V CPU，HPM6700/6400系列產(chǎn)品還創(chuàng)造性地整合了一系列高性能外設(shè)，包括支持2D圖形加速的顯示系統(tǒng)、高速USB、千兆以太網(wǎng)、CAN FD等通訊接口，高速12位和高精度16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，面向高性能電機控制和數(shù)字電源的運動控制系統(tǒng)。

HPM6300系列是HPM6000系列的另一款力作，采用單核32位RISC-V處理器，主頻超過600 MHz，性能超過3390CoreMark和1710 DMIPS。同時，HPM6300系列支持雙精度浮點運算，模擬模塊包括16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模擬比較器，配以多組納秒級高分辨率PWM，為電機控制和數(shù)字電源應(yīng)用提供強大硬件支持。

審核編輯：湯梓紅