【白皮書】RA6T2如何攻克新一代電機控制系統(tǒng)開發(fā)中的挑戰(zhàn)（上）

一

概述

如今，許多電機控制系統(tǒng)都采用將電機控制算法燒寫到MCU的方式來實現(xiàn)。但由于需求的多樣化，控制算法也變得日益復(fù)雜，在使用一個MCU的情況下，不僅需要實現(xiàn)電機控制，還要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信和控制。這樣一來，開發(fā)人員必須比以往更多地考慮復(fù)雜的實時處理功能（如電機控制）與非實時處理功能（如系統(tǒng)控制）的共存。此外，為了在市場上具有價格競爭力，開發(fā)人員還面臨著及早上市和降低成本等重大挑戰(zhàn)。

本文將為您描述基于RA6T2 MCU的各種解決方案如何解決上述問題。

二

電機控制

電機控制是一項由來已久的技術(shù)，大約有200年的歷史。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，電機分為多種類型，它們已經(jīng)發(fā)展成為支撐人類生活的重要技術(shù)。尤其是功能豐富且易于維護的電機，由于其控制比較復(fù)雜，通常采用對MCU進行編程的方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

什么是逆變器？

從本質(zhì)上來說，逆變器是指將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置/電路。在家電和工業(yè)領(lǐng)域，它一般用于將交流電轉(zhuǎn)換為任何頻率或電壓。這樣做的優(yōu)勢是能源利用效率比采用恒頻商用電源的驅(qū)動系統(tǒng)更高，因為逆變器可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。

逆變器電路

逆變器電路通過以特定周期反復(fù)導(dǎo)通/關(guān)斷連接直流電源的晶體管來產(chǎn)生交流電壓。導(dǎo)通/關(guān)斷操作由MCU內(nèi)置的定時器輸出來實現(xiàn)。該輸出稱為PWM（脈寬調(diào)制）。電機的工作狀態(tài)、靜音程度和電源效率取決于生成該PWM與切換導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)的速度有多快、精度有多高。

速度控制工作原理

下圖顯示了在MCU使用上述逆變器裝置控制電機轉(zhuǎn)速時的信號流。其中包含用于控制BLDC電機的MCU的軟件模塊和外設(shè)電路。

通過內(nèi)置MCU控制電機速度的原理圖

MCU將速度/轉(zhuǎn)矩命令轉(zhuǎn)換為參數(shù)，確定PI控制單元中的PWM占空比，然后輸出脈沖。盡管這種方式需要依賴于控制算法，但利用電機電流、分流電阻電流、霍爾元件和編碼器等，仍可將速度和轉(zhuǎn)子位置信息反饋給MCU，并執(zhí)行循環(huán)運算。反復(fù)執(zhí)行該運算可檢測并校正實際電機運行相對于命令值的差值。在電機控制系統(tǒng)中，需要在控制周期內(nèi)完成這一系列處理。因此，電機控制被稱為實時應(yīng)用。此外，通過縮短該控制周期可對電機進行精密控制，從而使電機應(yīng)用響應(yīng)快、效率高。

三

新一代電機控制系統(tǒng)開發(fā)中的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，我們來看一下開發(fā)人員在開發(fā)新一代電機控制設(shè)備時所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。大致說來，關(guān)鍵點在于首先要滿足實現(xiàn)高級控制系統(tǒng)所需的性能，同時構(gòu)建開發(fā)環(huán)境以使其及時上市。

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滿足更高的性能和處理復(fù)雜性要求：

如上所述，電機控制本身可以檢測命令值與實際電機運行之間的差值并反復(fù)進行控制。為了實現(xiàn)快速響應(yīng)和高效率，必須進一步縮短控制周期，并在該控制周期內(nèi)完成電機控制計算。但是，由于附加處理功能（用于實現(xiàn)附加功能）與非實時處理功能（如通信和整個系統(tǒng)的控制）共存，因此MCU需要具備強大的處理能力，才能在電機市場上取得成功。

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構(gòu)建電機控制的評估環(huán)境：

為了控制各種電機，需要了解每種電機的特性，并開發(fā)相應(yīng)的硬件以對其進行評估。這需要花費大量的工程時間。此外，對于新MCU，還需要移植或從頭開始創(chuàng)建軟件以實現(xiàn)外設(shè)功能（如控制算法和內(nèi)置于MCU的PWM定時器），這會耗費大量的開發(fā)時間。

這些常見的電機控制問題可以使用RA6T2來解決。RA6T2是一款RA產(chǎn)品家族ASSP產(chǎn)品，用于電機控制和電機開發(fā)解決方案，其中包含開發(fā)工具包、應(yīng)用筆記和開發(fā)工具等。首先，我們來看一下應(yīng)對第一項挑戰(zhàn)的方法。

四

RA6T2專為電機控制而設(shè)計

RA6T2是一款可實現(xiàn)新一代電機應(yīng)用所需的實時控制性能的MCU。瑞薩過去開發(fā)了大量用于電機控制的MCU，其中內(nèi)置的PWM定時器和模擬功能經(jīng)歷了不斷的改進，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)更為高級的控制。采用Arm Cortex-M內(nèi)核的RA產(chǎn)品家族繼承了這一優(yōu)秀基因，并且發(fā)展出了面向電機控制的ASSP產(chǎn)品。最先發(fā)布的是搭載Arm Cortex-M4的RA6T1。RA6T2是最近推出的產(chǎn)品，也是第二款搭載Arm Cortex-M33內(nèi)核的產(chǎn)品，其工作頻率為240MHz。這些MCU是實時引擎，將32位電機定時器和增強的模擬功能與瑞薩的原始閃存相結(jié)合。

RA6T2有兩項主要的硬件改進——內(nèi)置高速閃存和加速器，旨在實現(xiàn)新一代電機控制所需的高實時性能。

高速閃存

通常，當(dāng)CPU訪問慢速存儲器時，會使用高速緩存來減少這種開銷，因為它會等待訪問完成。但是，在電機控制程序中，由于頻繁的分支處理和中斷，會出現(xiàn)緩存未命中和性能下降的情況。因此，RA6T2內(nèi)置了瑞薩獨有的120MHz零等待訪問高速閃存，即使在緩存未命中的情況下也有助于減少損失，并實現(xiàn)較少波動的實時性能。

用于電機控制的加速器

RA6T2配備了兩個硬件加速器，即TFU（三角函數(shù)單元）和IIRFA（IIR濾波器加速器），用于高速電機控制運算。TFU負責(zé)處理sinf、cosf、atan2f和hypotf函數(shù)的快速計算，這在矢量控制的dq轉(zhuǎn)換中十分有用。同樣，IIRFA可應(yīng)用于陷波濾波器以抑制機械諧振。由于系數(shù)和延遲數(shù)據(jù)可以保存在本地存儲器中，因此可以簡單地通過設(shè)置輸入值來獲得計算結(jié)果。這些加速器僅支持電機控制的基本要素，這使它們可以輕松應(yīng)用于各種現(xiàn)有算法。

這兩項功能都專門針對實時性能，可以減少性能波動并顯著減輕CPU負荷。因此，可以通過縮短控制周期來增添快速響應(yīng)和高效率控制以及非實時處理能力。

除了可提高實時性能外，RA6T2還具有48引腳、64引腳和100引腳LQFP封裝三種選擇。這些封裝在功能上相互兼容，并且引腳分配可擴展，因此即使采用不同的封裝，仍可彼此輕松共享開發(fā)資產(chǎn)。這使得開發(fā)一個支持多模型開發(fā)（白色家電和工業(yè)設(shè)備）的平臺成為可能，并可及早將產(chǎn)品投放市場。此外，還提供48引腳和64引腳QFN封裝，可滿足電動工具、機器人和無人機等設(shè)備的小尺寸需求。

未完待續(xù)