集成先進(jìn)的模擬特性：LPC553x實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制

恩智浦新推出的LPC553x作為基于Arm?Cortex?-M33技術(shù)的LPC5500系列MCU的全新成員，具有高精度模擬外設(shè)和電機(jī)控制外設(shè)。LPC553x片內(nèi)集成高達(dá)256KB的閃存、帶奇偶校驗(yàn)和糾錯(cuò)碼(ECC)的128KB的RAM、外部串行/四路/八路內(nèi)存控制器，以及支持內(nèi)存擴(kuò)展的FlexSPI(具有即時(shí)加密和解密功能)。

這些細(xì)節(jié)令人耳目一新，同時(shí)該MCU集成多達(dá)8個(gè)Flexcomm(可任意配置為串行I2C/UART/SPI)、1個(gè)專用50 MHz SPI、FS USB主/從設(shè)備和CAN FD。LPC553x集成的4個(gè)單端(或2個(gè)差分)16位ADC支持在12位模式下以2 MSPS或3.3 MSPS速度同時(shí)進(jìn)行兩次獨(dú)立轉(zhuǎn)換，并且最多有23個(gè)ADC輸入通道。另外，LPC553x還提供帶5個(gè)輸入引腳的4個(gè)比較器、3個(gè)12位DAC、3個(gè)帶可編程增益放大器設(shè)置的高精度運(yùn)算放大器和1個(gè)高精度內(nèi)部參考電平。

LPC553x結(jié)構(gòu)框圖

LPC553x的電機(jī)控制子系統(tǒng)有兩個(gè)靈活的脈寬調(diào)制(PWM)模塊，提供多達(dá)12個(gè)PWM輸出、2個(gè)正交編解碼器輸入和2個(gè)AOI(And/Or/Invert,與或非)模塊，可直接饋入外設(shè)以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。此外，MCU集成緊密耦合的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和數(shù)學(xué)運(yùn)算加速器(PowerQuad)，支持電機(jī)控制算法中使用的三角函數(shù)和CORDIC函數(shù)。

使用LPC553x實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制

使用Arm? Cortex?-M33和PowerQuad實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜電機(jī)控制算法優(yōu)于使用傳統(tǒng)的通用微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（CMSIS）DSP庫的算法。下面的例子展示了AOI模塊如何實(shí)現(xiàn)外設(shè)和輸入/輸出引腳之間的直接連接，從而完成電機(jī)控制子系統(tǒng)。

更強(qiáng)的系統(tǒng)性能，利用PowerQuad支持電機(jī)控制應(yīng)用

LPC553x增加了8KB LP緩存，可加速對(duì)片上閃存的訪問。LP高速緩存是一種8路、4路組關(guān)聯(lián)的直寫設(shè)計(jì)。對(duì)于32位寬的緩存數(shù)據(jù)路徑，MCU支持總計(jì)8KB的緩存，并針對(duì)運(yùn)行電源操作進(jìn)行了優(yōu)化。有了這個(gè)緩存，從閃存執(zhí)行時(shí)Coremark性能可達(dá)到>4/MHz(迭代次數(shù)/秒)。

Clarke變換，根據(jù)以下公式將磁通、電壓、電流等值從三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相（α-β）正交坐標(biāo)系：

從兩軸正交靜止坐標(biāo)系到三相定子靜止坐標(biāo)系的變換是使用Clarke逆變換完成的。Clarke逆變換由以下公式表示:

Park變換，根據(jù)以下公式將磁通、電壓、電流等值從靜止兩相（α-β）正交坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)兩相（d-q）正交坐標(biāo)系：

逆Park變換，根據(jù)以下公式將磁通、電壓、電流等值從旋轉(zhuǎn)兩相（d-q）正交坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到靜止兩相（α-β）坐標(biāo)系：

參考文件：GMCLIB用戶指南Arm? Cortex?-M33F

使用恩智浦實(shí)時(shí)控制嵌入式軟件電機(jī)控制和功率轉(zhuǎn)換庫RTCESL軟件支持上述電機(jī)控制算法，可以通過標(biāo)準(zhǔn)CMSIS DSP庫和/或LPC553x中的PowerQuad(PQ)DSP加速器來實(shí)現(xiàn)。

PQ性能與標(biāo)準(zhǔn)CM33 CMSIS DSP庫的對(duì)比如下所示：

圖表表明，在CM33沒有對(duì)應(yīng)指令的函數(shù)中，采用PQ實(shí)現(xiàn)時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

使用AOI和交叉開關(guān)模塊快速響應(yīng)事件

為了快速響應(yīng)特殊/時(shí)間關(guān)鍵事件，LPC553x配備了兩個(gè)交叉開關(guān)和AOI模塊。任何輸入引腳和外設(shè)輸入/輸出都可以通過組合邏輯AOI模塊連接到兩個(gè)交叉開關(guān)XBARA和XBARB。概述如下：

XBARA的20個(gè)輸入(與XBARB共用)允許從外設(shè)或?qū)Ｓ靡_中進(jìn)行選擇。XBARA最多可將16個(gè)輸出連接到AOI的輸入，形成組合邏輯。AOI的4個(gè)輸出也可以添加到XBARB上，形成32個(gè)總輸出。

AOI控制器是一個(gè)外設(shè)模塊，連接來自各種設(shè)備模塊的事件輸入指示器，并生成可路由到外設(shè)間交叉開關(guān)或其他外設(shè)的事件輸出信號(hào)。其編程模型通過標(biāo)準(zhǔn)的IPS（天藍(lán)色）接口訪問。

AOI模塊的每個(gè)EVENTn輸出是其四個(gè)專用輸入（An、Bn、Cn和Dn）的組合函數(shù)。通過AOI和任何相關(guān)的外設(shè)交叉開關(guān)模塊的傳播時(shí)間為一個(gè)總線時(shí)鐘周期。

以下是使用XBAR和GPIO模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的示例：

通過XBARA和GPIO模塊的編程，可以立即處理對(duì)過流和電壓等故障事件的特定響應(yīng)（一個(gè)總線時(shí)鐘周期）。

為設(shè)計(jì)帶來更高水平的模擬集成和更高的系統(tǒng)可靠性

隨著LPC5500 MCU系列不斷發(fā)展壯大，LPC553x不僅具備多種新特性，而且在許多方面提升了系列表現(xiàn)。LP553x系列提供了多方面的升級(jí)，例如增加了存儲(chǔ)器容量、額外的輸出和更快的輸入/輸出響應(yīng)時(shí)間。

審核編輯：郭婷