低成本的FOC控制方案分析

通常小體積封裝的MCU有著成本較低的優(yōu)勢，被廣泛用于BLDC電機的六步方波控制中，此類應(yīng)用對MCU的各類資源要求較低，小體積封裝的MCU往往能夠勝任。

而基于FOC的PMSM電機開發(fā)中，對MCU的運算能力和ADC速度等各類資源有著較高的要求，大部分現(xiàn)有的小體積封裝MCU無法滿足此類需求。

沁恒微電子的青稞RISC-V處理器全棧MCU系列產(chǎn)品中，CH32V203F8和CH32V203G8兩款小封裝V203芯片的推出，能夠滿足上述需求。

以TSSOP20封裝的CH32V203F8為例， 系統(tǒng)主頻最高可達144MHz，支持單周期乘法和硬件整數(shù)除法，硬件整數(shù)除法在9個指令周期內(nèi)完成，有著遠強于普通MCU的處理能力，完全能夠快速處理FOC控制的復(fù)雜運算；

• 內(nèi)置64KB Flash和20KB RAM，完全能夠滿足絕大部分FOC控制所需的存儲資源；
• 內(nèi)置2個獨立12位ADC，有著9路可配置采樣通道，采樣速度最高可達1M/S，能夠完成FOC控制的高速采樣要求；集成1路高級定時器接口，可用著電機控制輸出；
• 內(nèi)置1組8路通用DMA，可用著定時器和ADC協(xié)同工作，特別是用于單電阻方案中電流采樣控制；
• 內(nèi)置2個OPA，可用著電流放大和短路保護；
• 可選配置1路USB或SWD或IIC或UART接口，用于配合虛擬示波器進行波形觀測、代碼仿真或下載、外部數(shù)據(jù)交換等。

以CH32V203F8為控制MCU的單電阻無感方案硬件原理圖如下：

圖1. 主控MCU

圖2. 預(yù)驅(qū)電路

圖3. 逆變器及母線電流采樣電阻

圖4. 母線電流放大采樣及過流保護

如圖4所示，母線電流經(jīng)過差分放大電路放大后，可以直接通過所在運放輸出腳的ADC采樣，如PA4選擇為OPA2的輸出腳，也可以啟用ADC4進行采樣。OPA1的輸出腳，可配置內(nèi)部直連高級定時器1的BKIN腳。

圖5. 端電壓檢測

如圖5所示，利用ADC0、ADC1和ADC2三個通道對端電壓進行采樣，可以用于順逆風(fēng)啟動時的位置判斷，這三個引腳同時也是通用定時器2的捕獲輸入通道。

圖6. 母線電壓檢測

圖7. 電源供電

如圖7所示，得益于CH32V203的低運行功耗，可用LDO直接進行15V轉(zhuǎn)3.3V，在U9輸入端加RC電路，可以增強MCU電源穩(wěn)定性，并承擔(dān)部分耗散功率。

圖8. 外部接口

如圖8所示，MCU的1&2腳為多功能復(fù)用引腳，內(nèi)部可通過代碼配置為SWD、USB、I2C、串口或普通IO，實現(xiàn)代碼下載調(diào)試、虛擬示波器波形觀測等功能。

如上所述，雖然CH32V203F8等小封裝MCU，引腳較少，但能滿足電機控制的基本外設(shè)需求，并有著同封裝MCU不具備的主頻等優(yōu)勢，可靈活應(yīng)用在低成本電機FOC控制領(lǐng)域。