國產工業級MCU調研系列報導:電機控制方案

2020-12-07 電子工程專輯

具有同樣功能和性能特性的電子元器件可能因為使用場合的不同，在質量、可靠性和工作指標方面有很大的差異，自然價格差別也很大。按照應用等級，電子元器件可分為：軍工級、汽車級、工業級，以及民用/商用級。vgjEETC-電子工程專輯

下表是電子產品設備及其中的電子元器件不同等級的對比。vgjEETC-電子工程專輯

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工作溫度範圍是區別不同級別電子元器件的主要參數，更寬的溫度範圍代表著晶片的各種參數可在工作溫度範圍內達標且保持穩定。為了達到更寬的工作溫度範圍，往往需要在晶片製造工藝、功耗、封裝工藝等各方面做出調整和改善。vgjEETC-電子工程專輯

●軍工級：工作溫度一般介於-55℃~+125℃，因為軍事和戰爭環境特別複雜，要求電子設備在很大的溫度範圍內都能夠穩定工作。軍工級電子元器件的設計和製造工藝是最精密和先進的，領先民用級產品10-20年。軍工級產品的耐溫特性、抗幹擾性、耐振能力、穩定性、可靠性、耐過載性以及參數的準確性等，都遠勝於其它級別的產品；vgjEETC-電子工程專輯

●汽車級：工作溫度一般介於-40℃~+125℃，因為汽車行駛路況和環境也比較複雜，需要經過一套嚴格的標準認證，如ISO/TS 16949標準和AEC系列標準；vgjEETC-電子工程專輯

●工業級：工作溫度一般介於-40℃~+85℃，精密度和價格都比軍工級和汽車級稍低，但也必須滿足工業環境的穩定可靠性要求，比如精密工業設備就要求電子元器件性能參數有很高的穩定性；  vgjEETC-電子工程專輯

●民用/商用級：工作溫度一般介於0℃~+70℃，消費電子、PC和手機等電子產品中的元器件都屬於這個級別，價格相對便宜，是應用最為廣泛的。vgjEETC-電子工程專輯

●微控制器（MCU）是很多電子設備的「大腦」，其性能、穩定性和可靠性至關重要，當然也有不同的等級區別。我們重點討論面向工業應用的工業級MCU，看看在電機控制這一細分應用領域有哪些可供選擇的國產工業級MCU廠商。vgjEETC-電子工程專輯

針對電機控制的工業級MCU

工業級MCU在工業領域的應用十分廣泛，從工廠自動化和機器人、電力傳輸和電網供電、電器電機控制，到智慧城市和智能樓宇自動化，各種機電設備和產品的正常運行都離不開執行計算、處理和控制功能的MCU。vgjEETC-電子工程專輯

從《30家國產MCU廠商綜合實力對比》的調查報告中，我們看到2019年中國MCU市場應用主要集中在消費電子、計算機網絡、汽車電子、IC卡和工控/醫療等領域。其中工業控制應用僅佔11.2%，相對消費電子和傳統計算機網絡等應用，其比重還比較小。由此可以推斷，國產MCU廠商在工業級MCU市場的投入和銷售也相對較弱，這一市場主要還是由英飛凌、ST、TI和瑞薩等國際大廠把控。vgjEETC-電子工程專輯

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對於電機驅動系統的設計，首先要做到準確控制，比如控制位置、扭矩和速度都需要實時電機控制的信號處理。此外，效率、可靠性和使用壽命等系統需求都對MCU及相關元器件提出了很高的要求。在面向白色家電、園林電動工具以及電動車等應用的電機驅動控制中，我們注意到有幾家國產MCU廠商在積極推動各自的解決方案。現挑選兩家公司的電機控制方案，供感興趣的朋友參考。vgjEETC-電子工程專輯

國民技術通用安全MCU在工業領域的電機控制解決方案

在工業電機控制領域，提高能效、改善控制精度、最大程度降低噪聲，以及先進的控制技術是行業發展的重點。國民技術的電機控制系列MCU具有如下特點：vgjEETC-電子工程專輯

●集成4個獨立、具有5Msps高速採樣速率的12位模數轉換器（ADC），實現單晶片以FOC方式控制兩個（甚至四個）BLDC電機，可極大降低多電機應用中的成本控制。vgjEETC-電子工程專輯

●硬體級電機控制脈寬調製，最小脈寬低至6.9ns，具有更高的電機控制精度，能夠實現電機精確調教和穩定運行。vgjEETC-電子工程專輯

●片內集成模擬運算放大器、模擬比較器及12位數模轉換器（DAC），更高的集成度可提升系統穩定性，並進一步降低BOM成本。vgjEETC-電子工程專輯

●片內緊密耦合存儲器，實現快速的存儲器訪問和調度。vgjEETC-電子工程專輯

●內置10餘種密碼算法硬體加速引擎，提供硬體級的程序Flash分區保護機制，可實現對核心算法的分區存儲和加密保護、核心代碼分區訪問、程序的安全啟動等有關智慧財產權的保護措施，實現零附加成本防抄板、防篡改、防竊取。vgjEETC-電子工程專輯

在電機控制領域，國民技術三大系列MCU主要應用於如下場景：vgjEETC-電子工程專輯

●N32G455xx系列：面向高性能多FOC電機應用，比如空調室外機、機器人關節、AGV搬運車、智能電動輪椅等單晶片多電機應用場景；vgjEETC-電子工程專輯

●N32G435xx系列：面向高性價比電機應用，比如電動自行車、電動摩託車、洗衣機、高精度伺服控制系統和工業風機等；vgjEETC-電子工程專輯

●N32G032xx系列：針對低成本電機應用，比如冰箱、電動工具、吸塵器、油煙機等。vgjEETC-電子工程專輯

國民技術電機控制MCU產品家族vgjEETC-電子工程專輯

如下是面向電機控制應用的評估板。vgjEETC-電子工程專輯

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中微半導體吸塵器電機控制方案

針對吸塵器應用，中微半導體推出了以微控制器CMS32M57xx為主控的FOC應用解決方案，其中MCU主要用於吸塵器的電機控制。vgjEETC-電子工程專輯

這種吸塵器電機控制方案有如下特點：vgjEETC-電子工程專輯

●集成12 Bits高速ADC，多路高性能模擬運放和可編程PGA，精簡外圍電路vgjEETC-電子工程專輯

●無感FOC、單電阻控制方式vgjEETC-電子工程專輯

●自收斂直接閉環啟動算法，適應不同負載啟動，100%啟動成功vgjEETC-電子工程專輯

●順、逆風啟動效果優良，啟動快速平穩，無失步，運行平穩噪音低vgjEETC-電子工程專輯

●恆功率控制，線性堵風口識別並保護vgjEETC-電子工程專輯

●轉速控制可高達100000+RPMvgjEETC-電子工程專輯

●標準輸出接口：FG VPWM、DIR、VCC和GNDvgjEETC-電子工程專輯

●具備優異的CE、ESD性能，EFT>4200VvgjEETC-電子工程專輯

結語

隨著工業物聯網、智慧城市和智能家居市場的快速發展，國產MCU廠商也逐漸往高質量級別和售價的工業級MCU滲透。電動工具和各種家電產品的電機控制對MCU要求雖然比消費電子要高些，但還沒有工業控制應用的要求嚴格，這對想進入工業領域的國產MCU廠商是一個不錯的過渡選擇。vgjEETC-電子工程專輯

責編：Amy GuanvgjEETC-電子工程專輯

本文為《電子工程專輯》2020年11月 刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱  vgjEETC-電子工程專輯

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