1us電流環(huán)！先楫HPM6000系列芯片實(shí)現(xiàn)高效電機(jī)控制

不管是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，還是汽車領(lǐng)域，抑或是生活家電領(lǐng)域，各個(gè)終端市場(chǎng)對(duì)電機(jī)性能都提出了更高的要求。它們不僅需要電機(jī)能夠做到高效率和多功能控制，還需要電機(jī)在追求高轉(zhuǎn)速的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪音低振動(dòng)的控制效果。在與日俱增的高標(biāo)準(zhǔn)性能要求下，高性能成了電機(jī)芯片競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

縱觀整個(gè)電機(jī)控制芯片市場(chǎng)，從低成本通用伺服驅(qū)控到中高性能通用伺服驅(qū)控，長(zhǎng)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(jī)MCU的標(biāo)配，是體現(xiàn)控制能力的核心競(jìng)爭(zhēng)力。雖然嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，VC和FOC二者概念上是有差異的，但在大多數(shù)場(chǎng)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(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)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(shí)控制兩分量間的幅值和相位，是目前無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（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(biāo)系上實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、電流閉環(huán)負(fù)反饋控制難的問(wèn)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(jī)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(fù)反饋，因此其帶寬是電機(jī)控制產(chǎn)品最重要的衡量指標(biāo)之一。具體來(lái)說(shuō)，高帶寬能夠帶來(lái)更快的指令響應(yīng)時(shí)間和更優(yōu)異的高頻擾動(dòng)抑制能力，這種能力最終體現(xiàn)在電機(jī)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(jī)抖動(dòng)。而代碼執(zhí)行時(shí)間決定了帶寬，是電機(jī)控制產(chǎn)品不可逾越的指標(biāo)之一，這也造成了目前市場(chǎng)上電機(jī)控制產(chǎn)品性能輸出有差異的現(xiàn)象。歸根結(jié)底，電機(jī)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(gè)方面：

主控芯片主頻限制：芯片主頻不夠高，無(wú)法做到高速運(yùn)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(guò)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(wú)法做一些常見電機(jī)控制算法等問(wèn)題。

因此想要實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的控制性能，電機(jī)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(guò)提升主頻來(lái)解決電機(jī)控制行業(yè)的痛點(diǎn)，得益于RISC-V本身的簡(jiǎn)潔性和模塊化設(shè)計(jì)，CPU能運(yùn)行在更高的頻率，帶來(lái)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(shí)力，HPM6700/6400系列主頻高達(dá)816MHz，不僅能夠解決上文提到的電機(jī)控制性能的三大限制，而且契合現(xiàn)在電機(jī)多核驅(qū)控一體的發(fā)展趨勢(shì)。HPM6700/6400系列還為電機(jī)系統(tǒng)提供了精度達(dá)2.5ns的4組共32路PWM輸出以及4個(gè)正交編碼器接口和4個(gè)霍爾傳感器接口，完美適配高性能電機(jī)控制和數(shù)字電源運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

< 解決方案分享>

先楫HPM6000系列芯片的1us電流環(huán)

圖3 案例時(shí)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(shí)序，分別使用HPM6400系列與HPM6300系列芯片實(shí)測(cè)VC矢量控制中的電流環(huán)執(zhí)行時(shí)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(biāo)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(fù)載的時(shí)候，速度環(huán)會(huì)等效輸出一個(gè)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(gè)指令，帶寬越大響應(yīng)越快。所以說(shuō)電流環(huán)執(zhí)行時(shí)間直接決定了電流環(huán)的帶寬，是電機(jī)控制產(chǎn)品必須考量的指標(biāo)。

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

圖5HPM6400、6300系列芯片電流環(huán)執(zhí)行時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

如圖5所示，HPM6300系列芯片的電流環(huán)執(zhí)行時(shí)間接近1us，HPM6400系列電流環(huán)執(zhí)行時(shí)間更是控制在1us以內(nèi)，該優(yōu)勢(shì)不僅能夠提升帶寬，更是說(shuō)明了先楫高性能芯片能夠帶來(lái)高速運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電機(jī)控制算法（如多電機(jī)同步、參數(shù)辨識(shí)、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(jī)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(jī)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(dá)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(chǔ)器，創(chuàng)下了高達(dá)9220CoreMark和高達(dá)4651 DMIPS 的MCU性能新紀(jì)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(jī)控制和數(shù)字電源的運(yùn)動(dòng)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(guò)600 MHz，性能超過(guò)3390CoreMark和1710 DMIPS。同時(shí)，HPM6300系列支持雙精度浮點(diǎn)運(yùn)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(jí)高分辨率PWM，為電機(jī)控制和數(shù)字電源應(yīng)用提供強(qiáng)大硬件支持。欲了解更多HPM6000系列產(chǎn)品特點(diǎn)與應(yīng)用案例，歡迎關(guān)注并推薦“先楫半導(dǎo)體HPMicro”及“先楫芯上人”。