助力低碳出行，N32系列MCU在電動(dòng)兩輪車市場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)踐

電動(dòng)兩輪車具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、便捷等優(yōu)勢(shì)，已成為主要的短距離交通工具之一，在個(gè)人日常出行、外賣配送、共享交通等方面得到大量使用?！靶聡?guó)標(biāo)”的實(shí)施以及智能化技術(shù)發(fā)展，加速了電動(dòng)兩輪車的升級(jí)換代，使得電動(dòng)兩輪車特別是高端智能電動(dòng)車的市場(chǎng)需求上升。

電動(dòng)兩輪車由車體電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)、控制器、電源系統(tǒng)、充電器、儀表系統(tǒng)等組成，周邊組件包括充電樁/換電柜等，不同的系統(tǒng)根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能復(fù)雜程度對(duì)微控制芯片（MCU）提出了差異化需求。

提供豐富產(chǎn)品，滿足電動(dòng)兩輪車全車及周邊應(yīng)用創(chuàng)新需求

國(guó)民技術(shù)N32系列MCU產(chǎn)品基于32位Arm Cortex-M內(nèi)核，內(nèi)置嵌入式高速閃存、低功耗電源管理，集成數(shù)模混合電路，并內(nèi)置硬件密碼算法加速引擎以及安全單元，具有高集成度、高性能、低功耗等特點(diǎn)，滿足電動(dòng)自動(dòng)車各組件對(duì)控制器的應(yīng)用需求，目前在電動(dòng)兩輪車及周邊產(chǎn)品中已經(jīng)獲得批量應(yīng)用的型號(hào)包括：N32G45x、N32G43x、N32L40x、N32G03x、N32WB031（藍(lán)牙MCU），具體應(yīng)用情況如下：

單芯片集成先進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)及算法，實(shí)現(xiàn)高精度大扭矩電機(jī)控制

國(guó)民技術(shù)N32系列MCU支持數(shù)字信號(hào)處理（DSP）指令和浮點(diǎn)運(yùn)算，具有多達(dá)4個(gè)獨(dú)立的具有5Msps高速采樣速率的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），電機(jī)控制PWM脈寬調(diào)制最小脈寬6.9ns。片內(nèi)集成多個(gè)軌到軌運(yùn)算放大器、高速模擬比較器及12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），緊密耦合的內(nèi)嵌存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)快速的存儲(chǔ)器訪問和調(diào)度。芯片還集成了用于電機(jī)位置傳感的正交編碼器模塊等高效算法模塊，以及用于代碼和物聯(lián)安全的硬件密碼算法加速引擎。N32系列MCU在單顆芯片上集成電機(jī)控制應(yīng)用所需數(shù)字與模擬資源，大大提升了電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，可覆蓋汽車、工業(yè)、能源、家電、消費(fèi)等行業(yè)的電機(jī)控制應(yīng)用。

基于N32G45x、N32G43x、N32L40x等系列MCU及自研先進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)，采用有感估算電角度算法及FOC控制策略實(shí)現(xiàn)的國(guó)民技術(shù)高精度大扭矩電動(dòng)車控制器方案，具有多項(xiàng)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。方案支持單電阻、雙電阻及三電阻采樣FOC控制策略，具有零速大扭矩啟動(dòng)和MTPA力矩補(bǔ)償功能，電機(jī)運(yùn)行效率高。同時(shí)，電機(jī)軟硬啟動(dòng)迅速，采用矢量正弦波兼無感BLDC控制，在兩倍負(fù)載下可高效持續(xù)穩(wěn)定輸出功率和運(yùn)行。方案還具備完備的速度超差保護(hù)：采用了欠/過壓、軟硬件過流、過功率、堵轉(zhuǎn)、缺相、防盜飛車等系列安全保護(hù)策略，確保電動(dòng)車運(yùn)行安全。該方案非常適用于電動(dòng)兩輪車、智能電動(dòng)摩托車、智能移動(dòng)機(jī)器人、無人AGV及電動(dòng)車叉車等低速高精度大扭矩電機(jī)控制應(yīng)用場(chǎng)景。

電動(dòng)兩輪車應(yīng)用案例

1. 電動(dòng)車控制器

控制器作為電動(dòng)兩輪車的核心部件，控制電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、變速、停止等操作，起到電動(dòng)兩輪車“控制大腦”的作用。當(dāng)前電動(dòng)車領(lǐng)域?qū)诵尿?qū)動(dòng)電機(jī)的控制精度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、可靠性、噪聲震動(dòng)(NVH)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率、弱磁性能、電流響應(yīng)速度等技術(shù)性能要求越來越高，相應(yīng)的電機(jī)控制算法日趨復(fù)雜。在智能化發(fā)展趨勢(shì)下，電動(dòng)兩輪車集成多種先進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，從而對(duì)控制器芯片提出了更高要求，例如，需要芯片具有更高性能的處理能力、更加豐富的通信接口及多通道模擬/數(shù)字(A/D)和數(shù)字/模擬(D/A)接口等。

無刷交流輪轂電機(jī)產(chǎn)生輸出動(dòng)力時(shí)，需要控制器進(jìn)行調(diào)速以完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。高效舒適的調(diào)速控制離不開復(fù)雜的控制算法參與，龐大算法體系的運(yùn)行需要高性能控制器芯片資源的支撐。方案基于N32G430系列MCU實(shí)現(xiàn)，采用矢量FOC控制技術(shù)，主要由矢量變換、環(huán)路調(diào)節(jié)器、空間矢量調(diào)制、霍爾處理以及外圍功能函數(shù)幾大模塊組成，根據(jù)兩輪車控制器行業(yè)實(shí)際情況，在調(diào)速平滑性、電機(jī)適用性、故障快速保護(hù)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行優(yōu)化處理，具有多功率段電機(jī)靈活適配、騎行舒適度高、高效安全等特點(diǎn)。

N32G430應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

● Arm Cortex-M4F內(nèi)核，支持FPU浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP指令，最高128MHz主頻。

● 支持Sleep、Stop0、Stop2、Standby四種低功耗模式，同時(shí)具備LPTIM等低功耗外設(shè)，使電池續(xù)航更持久。

● 12bit ADC最高采樣速率可達(dá)4.7Msps，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集。

● 集成多達(dá)3個(gè)比較器，支持從SLEEP模式、STOP0模式下喚醒。

● 2個(gè)16bit高級(jí)定時(shí)器支持14路互補(bǔ)PWM輸出、死區(qū)插入和剎車功能，更適用于電機(jī)控制。

2. 短交通BMS控制板

BMS是專門用來進(jìn)行電池運(yùn)行管理的模塊，N32G031、N32G43x、N32L40x、N32G45x、N32WB031（藍(lán)牙MCU）等系列MCU已經(jīng)應(yīng)用消費(fèi)，工業(yè)、汽車領(lǐng)域的BMS電池管理系統(tǒng)中。其中基于N32G45x實(shí)現(xiàn)的短交通電池BMS控制板案例具有高效節(jié)能、安全保護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、可擴(kuò)展性好等功能特點(diǎn)。

N32G45x應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

● 144MHz主頻，F(xiàn)LASH支持ICACE和預(yù)取，支持FPU和MMU指令，可高效率運(yùn)行SOC、SOP、SOH等BMS核心控制算法，精準(zhǔn)修正單節(jié)電池充/放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)總輸入/輸出功率和電池組健康狀態(tài)的檢測(cè)。

● 內(nèi)置最多4個(gè)5Msps采樣率的12bit獨(dú)立ADC，可同時(shí)工作，多達(dá)16個(gè)采樣通道，輕松實(shí)現(xiàn)過壓檢測(cè)、欠壓保護(hù)、短路關(guān)斷、溫度檢測(cè)、電池均衡控制等各種安全保護(hù)功能。

● 豐富的外設(shè)接口，支持UART、I2C、SPI等接口，同時(shí)支持CAN，實(shí)現(xiàn)故障診斷和警告上報(bào)，支持BMS系統(tǒng)的無線連接管理與監(jiān)控。

● 接口靈活，單芯片滿足新國(guó)標(biāo)應(yīng)用，可通過手機(jī)APP對(duì)BMS控制板固件進(jìn)行升級(jí)。

● 選擇內(nèi)置BLE的N32WB031系列MCU，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP升級(jí)BMS控制板固件，并且FLASH自帶加密存儲(chǔ)功能，保護(hù)用戶算法代碼。

3. 電動(dòng)車儀表盤

電動(dòng)車儀表盤能夠及時(shí)反映電動(dòng)車運(yùn)行時(shí)的蓄電池放電電流、蓄電池剩余電量、車速、累計(jì)行駛里程、各種燈光使用及控制器出現(xiàn)故障，以數(shù)字代碼顯示反映故障源。它通過TIMER模塊實(shí)現(xiàn)基本的定時(shí)時(shí)基、通過PWM輸出控制氛圍燈、LED顯示等；通過CAN模塊傳輸電動(dòng)車的電池狀態(tài)、行駛速度、剎車狀態(tài)、燈具和控制器故障等信息，來實(shí)現(xiàn)儀表盤和電動(dòng)車控制系統(tǒng)的交互；通過USART模塊傳輸電動(dòng)車的控制和狀態(tài)信息到顯示驅(qū)動(dòng)芯片，從而實(shí)現(xiàn)表盤上的信息顯示；通過GPIO模塊來控制大燈的顯示、并獲取硬件版本信息等。

N32G430應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

● 32位Arm Cortex-M4芯片，主頻高達(dá)128MHz；支持Sleep、Stop0、Stop2、Standby四種低功耗模式。

● -40至105℃工作溫度，支持±4KV ESD沖擊，能有效防止靜電干擾；所有IO支持5V Tolerance，保護(hù)IO免受5V電壓沖擊，避免損傷。

● 擁有多達(dá)8路定時(shí)器，可滿足燈具控制和定時(shí)功能，同時(shí)還擁有1路低功耗定時(shí)器。

● CAN模塊可用于車規(guī)級(jí)的控制和狀態(tài)信息傳輸、可實(shí)現(xiàn)更加安全和高效的實(shí)時(shí)控制。

● 擁有速率高達(dá)4Mbits/s的4路串口，支持LIN通信，可滿足與儀表盤的信息快速交互。

4. 安全頭盔鎖

研究表明，正確佩戴安全頭盔能夠?qū)⒔煌ㄊ鹿仕劳鲲L(fēng)險(xiǎn)降低60%~70%，對(duì)保護(hù)駕駛者生命安全具有重要作用?；贜32系列MCU實(shí)現(xiàn)的智能安全頭盔鎖模塊目前主要應(yīng)用在共享電動(dòng)車產(chǎn)品上，可實(shí)現(xiàn)共享安全頭盔的NFC讀卡、車源信號(hào)對(duì)接、I2C控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)鎖、霍爾限位開關(guān)等智能開關(guān)鎖功能。MCU通過CAN與其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，通過I2C控制電機(jī)執(zhí)行開鎖和關(guān)鎖，通過霍爾限位開關(guān)讀取位置和狀態(tài)，通過SPI+NFC讀卡來支持刷卡開鎖和關(guān)鎖。

N32L403應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

● QFN32封裝體積小，128K Flash，資源豐富，滿足應(yīng)用需求。

● 高集成度，集成CAN、I2C、SPI、TIM等多個(gè)外設(shè)。

● 符合-40℃～105℃工業(yè)級(jí)溫度標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)面對(duì)戶外各種惡劣天氣條件影響。

● 業(yè)內(nèi)頂級(jí)的超低功耗：60uA/MHz動(dòng)態(tài)運(yùn)行功耗，2uA的靜態(tài)功耗，進(jìn)一步提高整機(jī)散熱性能。

● 內(nèi)置密碼算法硬件加速引擎，保障內(nèi)部協(xié)議傳輸?shù)陌踩浴?/span>

電動(dòng)兩輪車及周邊應(yīng)用N32系列MCU主要資源：