恩智浦電機控制軟硬件解決方案

高效的電機控制的軟硬件解決方案

隨著工業(yè)自動化、車輛電動化和智能家居等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高效的電機控制技術(shù)正成為現(xiàn)代工程中不可或缺的一部分。電機作為能量轉(zhuǎn)化和動力驅(qū)動的核心設(shè)備，其效率、可靠性和智能化程度直接影響整體系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。因此，設(shè)計一套結(jié)合軟硬件的高效電機控制解決方案，不僅能降低能耗，還能實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，滿足多樣化應(yīng)用需求。本文將介紹電機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，以及NXP（恩智浦）與艾睿電子在電機控制技術(shù)上的優(yōu)勢與解決方案。

電機控制的發(fā)展趨勢與所面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中經(jīng)常需要電機驅(qū)動，其中對于節(jié)能的需求，驅(qū)動著電器能源等級與熱泵的成長，并對低功耗系統(tǒng)的需求增加，因此需要超低壓驅(qū)動器，以及以電池為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，以滿足永續(xù)發(fā)展的趨勢。此外，對于高效驅(qū)動電機的要求也增加，因此需要各種新興的電機類型，以及高效的控制算法，在同步控制方面，因為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與多軸運動控制的需求增加，將帶動對驅(qū)動效率的追求。另一方面，隨著對安全與安保需求的增加，系統(tǒng)更加重視功能安全與網(wǎng)絡(luò)安全，并追求穩(wěn)健性，需要進行預(yù)測性維護與達(dá)到工業(yè)合規(guī)，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

不過，電機控制也面臨著眾多的市場挑戰(zhàn)，像是市場分散、用例眾多，以及家電市場對降低BOM或設(shè)計成本的要求增加，另外像是對工業(yè)功能安全要求、電機控制客戶的不同專業(yè)水平，還有眾多與眾不同的電機控制工具和軟件的出現(xiàn)，以及包括功率級的系統(tǒng)級解決方案，也是電機控制應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。

電機控制的種類很多樣，涵蓋有刷直流、步進、無刷直流（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）與交流感應(yīng)電機（ACIM）等技術(shù)，覆蓋各個垂直市場，其中推動主要成長市場的大趨勢包括對能源效率的追求，需要采用熱泵、超低壓電機驅(qū)動，以及自動化的趨勢，帶動對伺服驅(qū)動器、移動機器人、電動工具的需求。此外，還有關(guān)鍵成長市場推動技術(shù)的差異化，包括跨越多種垂直市場的類似電機控制技術(shù)，將朝向低速高扭矩、可變負(fù)載等發(fā)展，目前在成長市場的主要趨勢決定了重點的電機類型，則是朝向BLDC和PMSM發(fā)展。

硬件結(jié)合軟件的全面性電機控制解決方案

NXP的電機控制產(chǎn)品采用硬件結(jié)合軟件的“組合拳”，產(chǎn)品線從可支持低至48MHz的入門級和主流MCX產(chǎn)品組合，以及高達(dá)1GHz的跨界MCU ── i.MX RT，以及可用于電機控制結(jié)合運動控制的i.MX應(yīng)用處理器，內(nèi)建Cortex-A + Cortex-M內(nèi)核，其中的電機控制子系統(tǒng)包含有硬件同步的高速ADC、電機控制PWM、運算放大器／可編程增益放大器（PGA）與編碼器接口，可通過電機控制子系統(tǒng)進行可擴展處理，以簡化電機控制開發(fā)體驗。

相較于競爭對手，NXP擁有差異化優(yōu)勢，像是i.MX RT跨界MCU運作頻率高達(dá)1 GHz，可進行高動態(tài)電機控制，i.MX 94 MPU則具有可用于運動結(jié)合電機控制的實時內(nèi)核，可執(zhí)行超高效處理。此外，NXP還有具一致性的電機控制子系統(tǒng)，具有專為電機控制而設(shè)計的NXP IP，并可跨MCU和MPU產(chǎn)品組合進行擴展。

NXP的電機控制解決方案可優(yōu)化應(yīng)用成本，內(nèi)置片上PGA與位置解碼器，i.MX RT跨界MCU還擁有最高的DMIP/美元，并可提供面向用例的集成能力，像是用于連接工廠伺服驅(qū)動器的千兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，以及用于電機預(yù)測性維護和異常檢測的eIQ AI/ML功能，并可通過電機辨識和調(diào)整進行快速原型設(shè)計，搭配易于啟動的SDK范例，可協(xié)助產(chǎn)品快速上市。

NXP可提供分層式的解決方案產(chǎn)品，在概念驗證方面，可協(xié)助客戶展示一個概念或想法，確認(rèn)有限硬件的可用性、基本測試與固件，客戶可獲得啟動項目的固件／原理圖示例，并增加對設(shè)備兼容性的信心。

在參考設(shè)計方面，NXP可提供涵蓋特定客戶用例的優(yōu)化參考解決方案，具有通過所有渠道提供的硬件、監(jiān)管認(rèn)證，并提供培訓(xùn)和支持，協(xié)助進行軟件測試和維護，客戶可獲得開發(fā)項目的硬件／原理圖示例，提高實施和測試信心，以及完整的軟件／固件示例，并可加快產(chǎn)品上市。

NXP的FRDM開發(fā)平臺可提供低成本可擴展板，是可輕松構(gòu)建的可擴展解決方案，可通過所有渠道和不同合作伙伴提供硬件，提供培訓(xùn)和支持，以及提供參考軟件，客戶可針對不同用例進行輕松擴展，產(chǎn)品可快速上市，具有廣闊的市場支持，并提供多個示例。

電機控制應(yīng)用所需的高性能處理器與開發(fā)工具

NXP的i.MX RT-1180是高端跨界MCU，具有高性能的Arm Cortex -M7內(nèi)核，工作頻率高達(dá)800 MHz，以及節(jié)能的Cortex -M33內(nèi)核，頻率高達(dá)240 MHz。i.MX RT-1180具有工業(yè)網(wǎng)關(guān)功能，支持工業(yè)實時協(xié)議（Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP等），以及通過最先進的以太網(wǎng)交換機子系統(tǒng)和帶ECC保護的1.5 MB片上RAM，來實現(xiàn)的最新千兆時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking, TSN）協(xié)議。i.MX RT-1180還集成了先進的電源管理模塊，包括DC DC和LDO調(diào)節(jié)器，可以降低外部電源的復(fù)雜性，簡化電源時序，同時還有一個大型子系統(tǒng)，可以支持多種應(yīng)用，包括存儲接口、連接接口（CAN-FD、LPUART、LPSPI、LPI2C、FlexIO等）。

NXP的i.MX RT-1180是一款帶有一個TSN交換機和EdgeLock安全功能的跨界雙核實時微控制器（MCU），采用Arm Cortex-M7和Arm CortexM33內(nèi)核，實現(xiàn)高性能和實時控制功能。i.MX RT1180集成了TSN交換機和EtherCAT從機控制器，非常適合工業(yè)和汽車通信應(yīng)用。

i.MX RT-1180 CM7的運行頻率高達(dá)800MHz，CM33的運行頻率高達(dá)240MHz，片上RAM為1.5MB。該系列支持多種協(xié)議，實現(xiàn)了實時以太網(wǎng)和工業(yè)4.0系統(tǒng)之間的通信橋接。i.MX RT-1180還提供先進的信息安全，集成了NXP的EdgeLock安全區(qū)域。i.MX RT1180系列由MCUXpresso開發(fā)者體驗支持，其中包括SDK、IDE選項、安全編程和配置，以及設(shè)置工具，可實現(xiàn)快速開發(fā)。

NXP可協(xié)助電機控制開發(fā)者一系列的流程，首先進行系統(tǒng)設(shè)置，再來執(zhí)行電機建模，可通過FreeMASTER電機控制應(yīng)用程序來調(diào)整（MCAT），第三步則進行電機調(diào)整，可通過FreeMASTER使用MCAT進行運行時調(diào)試，接著可通過MCUXpresso SDK的電機控制代碼示例進行軟件交付，直到最終產(chǎn)品的推出。

FreeMASTER是一款用于應(yīng)用程序開發(fā)和信息管理的實時調(diào)試監(jiān)控和數(shù)據(jù)可視化工具，包括示波器、實時存儲和儀表板控制，具有易于使用但高度可擴展特性，可進行基本控制和可視化無需更改代碼，中間件可支持更強大的實現(xiàn)能力，可完全支持HTML/Javascript中的自定義儀表板、腳本，以及與其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換，并支持多種接口選項，包括UART、CAN、BDM/PD-BDM和SWD或自定義，可以在任何具有可用串行接口的平臺上運行，F(xiàn)reeMASTER Lite則可支持非Windows平臺上的遠(yuǎn)程控制儀表板。

MCAT則是FreeMASTER的插件工具，與FreeMASTER相結(jié)合，可以實時監(jiān)控、調(diào)整和更新電機控制應(yīng)用中的控制參數(shù)。MCAT能夠根據(jù)目標(biāo)電機／應(yīng)用調(diào)整控制參數(shù)，控制參數(shù)的動態(tài)調(diào)整和更新，并生成具有調(diào)整參數(shù)靜態(tài)配置的頭文件，可獨立于MCU，并與算術(shù)無關(guān)（16位/32位、Fix/Flt）。

智能的TSN/EtherCAT電機控制開發(fā)工具包

為加速客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度，由艾睿電子開發(fā)的SEED-RT118X開發(fā)套件，是一款可用于智能TSN/EtherCAT電機控制的開發(fā)工具套件。搭配的i.MX RT1180跨界MCU集成先進的EdgeLock安全區(qū)域，基于800 MHz Cortex-M7和240 MHz Cortex-M33雙核架構(gòu)，可實現(xiàn)設(shè)計靈活性。該系列包括TSN交換機，支持實時豐富的網(wǎng)絡(luò)集成，可處理時間敏感和工業(yè)實時通信。i.MX RT1180支持多種協(xié)議，橋接實時以太網(wǎng)和工業(yè)4.0系統(tǒng)之間的通信。SEED-RT118X集成了以太網(wǎng)、EtherCAT、CAN、USB、SD功能，以及四個連接器，可獨立支持額外的電機控制板。

SEED-RT118X Ethernet板卡共有5個以太網(wǎng)口，其中ETH0和ETH4是百兆網(wǎng)口，其他三個均為千兆網(wǎng)口。ETH0 - ETH3這四個網(wǎng)口連接至RT 118X內(nèi)部一個4口的TSN交換機上。ETH4連接至RT 118X內(nèi)部一個TSN GMAC上。SEED-RT118X EtherCAT板卡的以太網(wǎng)口ETH0和ETH4可以配置為EtherCAT接口ECAT0和ECAT1，同時可以通過修改板卡電阻來選擇PHY接口是RMII還是MII。EtherCAT具有通信速度快、同步性能好、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、實時性高、高可靠性和穩(wěn)定性等特性。

SEED-RT118X電機控制接口板卡還預(yù)留了四路引腳定義相同的電機控制接口，搭配特定驅(qū)動板，這款基于NXP i.MX RT1189的應(yīng)用解決方案，可用于24V-48V直流伺服電機、BLDC、步進電機控制。

SEED-RT118X TSN可執(zhí)行GPTP時鐘同步，測試RT118X GPTP時鐘同步參數(shù)，SEED-RT118X TSN數(shù)據(jù)收發(fā)，可發(fā)送包含時間戳的數(shù)據(jù)，測試RT118X網(wǎng)絡(luò)棧處理延遲與轉(zhuǎn)發(fā)延遲。SEED-RT118X TSN交換機可配置RT118X TSN交換機的VLAN、轉(zhuǎn)發(fā)表、流量調(diào)度功能。經(jīng)過測試，SEED-RT118X GPTP時鐘同步參數(shù)的最大誤差為±39.98ns，平均誤差為2.556ns，SEED-RT118X網(wǎng)絡(luò)棧處理延遲與轉(zhuǎn)發(fā)延遲之和約為36μs。

結(jié)語

高效的電機控制不僅是技術(shù)創(chuàng)新的方向，更是推動節(jié)能減排和智能化應(yīng)用的關(guān)鍵。通過軟硬件的協(xié)同設(shè)計，工程師能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更可靠的電機運行，滿足各行業(yè)日益增長的性能需求。同時，隨著控制算法、處理器性能，以及開發(fā)工具的不斷進步，設(shè)計高效電機控制系統(tǒng)的門坎逐漸降低，為更多應(yīng)用場景帶來了創(chuàng)新機會。本文所介紹的NXP與艾睿電子的電機控制解決方案，將在全球技術(shù)競爭和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮不可替代的作用，助力創(chuàng)造更美好的科技生活。