飞思卡尔电机控制方案的发展趋势_shorten.pptx

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1 January, 2011 飞思卡尔新 MCU 产品加速电机控制技术的发展叶万富应用工程师 1

2 通过该课程的学习, 您应该能目标了解飞思卡尔提供的基于最新推出微控制器产品的电机控制方案, 其中包括 MP16 DSC 产品系列 PPC Kinetis 了解 MC56F82xx DSC 产品的新特性, 并明确其为何是先进电机控制方案的理想主控产品 2

3 电机控制和功率变换应用的市场发展趋势电机控制应用减少功率损耗智能电机控制方案将使系统效率提高 30% 以上提高转换效率经济有效的软开关技术功率变换应用降低系统和开发成本更多的片上外设资源减少片外元器件的数量高功率密度紧凑的尺寸 : 高 W/cube inch 基于多平台可重复使用的软件, 硬件和开发工具容易实现在宽性能范围平台内的软件移植经济有效的安全, 可靠和保密性能片上安全和加密保护设计高智能控制数字控制的功率变换低成本使用更少的元器件实现系统监控和保护功能智能家电可再生能源数字电源 3

4 电机控制应用飞思卡尔与市场趋势对齐市场发展趋势飞思卡尔如何与客户需求对齐减少功率损耗每个电机控制处理器均能实现矢量控制和无位置传感器控制技术降低系统和开发成本小于 $0.70 起的 8 位和 16 位 MCU 产品适合 ACIM 和 PMSM 控制方案的 16 位 DSC 产品适合标准 / 特级驱动器的 32 位 Power Architecture MCU 产品基于多平台可重复使用的软件, 硬件和开发工具丰富的开发工具, 培训, 参考设计和函数库长使用寿命和高可靠性保证的产品高质量和专业客户支持的工业级产品承诺 10+ 年的发货周期经济有效的安全, 可靠和保密性能安全的 SRAM 与片内数据的融合, 以防知识产权的克隆硬件加密技术来保护数据免受网络黑客看门狗和错误代码纠正保护, 防止软件错误经过 IEC 认证的软件模块 4

5 电机控制目标应用市场泵和风扇水泵, 工厂系统热风空调系统加热风扇, 空调器工业驱动器制造组装, 机器人, 风力涡轮机, 印刷机家电洗衣机, 烘干机, 电动工具医疗扫描仪, 泵, 诊断和治疗设备汽车电机控制应用燃料泵 / 水泵, 热风空调系统风扇控制, 车窗升降越来越多的电动和混合动力汽车持续驱动对 BLDC 控制应用的需求 5

6 工业电机控制方案飞思卡尔电机控制处理器 6

7 典型的电机控制 MCU 的外设功能定时器 : PWM 频率 < 20Khz 死区插入功能换相 ( 输出屏蔽 ) ADC 触发故障控制 ADC 电流测量可编程延时模块在特定时刻触发 ADC 测量位置解码器正交编码信号输入位置解码器 6 通道 PWM 定时器故障输入可编程延时 12 位 ADC 7

8 电机类型直流有刷电机无刷直流电机 (BLDC) 步进电机 ( 半步 ) 步进电机 ( 全步 ) 交流感应电机 (ACIM) 永磁同步电机 (PMSM) 开关磁阻电机 (SRM) 8

9 基于 MCU 的简单的直流电机控制系统用户接口 (ADC 或 SCI 等 ) 转速命令 - PID 转速控制器电流命令事件定时器 - 转矩控制器 PID PWM ADC 定时器电流反馈转速反馈 Motorola Dave s Control Center M 位置编码器 9

10 MC9S08MP16 安全, 精确和廉价的 BLDC 电机控制 10

11 内核 / 温度 / 封装工业级产品 : 50MHz (25MHz 总线频率 ),-40 to 105 汽车级产品 : 40MHz (20MHz 总线频率 ),-40 to V 至 5.5V 工作电压范围 MC9S08MP16/12 存储器 16KB Flash/1KB RAM 12KB Flash/512B RAM 特点 2 个 FlexTimers(6ch + 2ch) 支持自动故障保护 3 个模拟比较器来自 PWM 模块的硬件触发允许在 PWM 周期内的任何时刻进行有效比较 2 个可编程延时模块 (PDB) 12 通道 12 位 ADC 3.5uS 转换时间, 来自 PWM 模块的硬件触发允许在 PWM 周期内的任何时刻进行转换可编程增益放大器 (PGA) 8 位模定时器模块 (MTIM) LIN SCI, SPI, IIC 3 个 5 位 DAC 达到 1/32 精度的电压基准实时时钟模块 (RTC) 软件可编程的片内时钟源 3 种低功耗模式和外设时钟控制电源管理控制器 (PMC) 键盘接口 (KBI) POR / LVI 支持达到 4 个中断优先级后台调试模式接口 / 在电路仿真 SPI SCI IIC 8-bit MTIM 3x 5-bit DAC RTC S08 50MHz CPU 16KB Flash 1KB RAM CRC Generator ICS COP BDM/ICE 13ch, 12-bit ADC & Temp Sensor 6ch+2ch FlexTimer with PWM functions Programmable Gain Amplifier Programmable Delay Blocks (x2) 3x High Speed Analog Comparators 系统保护循环冗余校验发生器 (CRC) 带独立时钟源的看门狗定时器 11

12 飞思卡尔数字信号控制器 56800E 产品系列 12

13 什么是数字信号控制器包含能同时完成微控制器和数字信号处理器功能内核的专门微处理器能适用于多种类型系统解决方案的内核处理能力常规基本特征 : > 乘累加器, 单指令周期内允许多个存储器访问能力, 地址产生单元, 有效循环算法嵌入式控制系统所需的专用低成本, 高性能片上外设 : > PWM; 多功能定时器 ; 高速 ADC;DAC; 比较器 ;SCI(UART); SPI; CAN 和 I2C 等片内非易失性存储器 : > Flash 存储器,ROM 或 EEPROM 易于使用的开发工具 13

14 56800E 系列产品结合微控制器和数字信号处理器功能传统的微控制器适合代码控制紧凑的代码尺寸易于编程不足的信号处理能力传统的 DSP 引擎适合数字信号处理适合矩阵运算复杂的编程方式笨拙的程序控制专为控制器编码, 数字信号处理和矩阵运算而优化的指令集紧凑的汇编和 C 语言编译的代码尺寸易于编程额外的 MIPS 能力和扩展的寻址空间 14

15 Flash 容量低功耗低成本大容量中端性能飞思卡尔 DSC 路标图高性能 <560kB MC56F816x 40MHz MC56F836x 60MHz <280kB MC56F815x 40MHz MC56F835x 60MHz 32 Bit Core, 100MHz, DMA, FAST ADC & PWM <16kB <32kB <64kB <144kB MC56F801x 32MHz, HR PWM, ADC MC56F803x 32MHz, HR PWM, CAN, ADC, DAC MC56F802x 32MHz, HR PWM, ADC, DAC 56F800x V. Low Cost, HR PWM 40MHz Ultra Low Cost 40MHz Ultra Low Cost MC56F814x 40MHz MC56F812x 40MHz MC56F833x 60MHz MC56F832x 60MHz MC56F834x 60MHz 60MHz Accurate PWM FAST ADC Pin Compatible MHz Accurate PWM FAST ADC Pin Compatible 32 Bit Core, 100MHz, DMA, FAST ADC & PWM 32 Bit Core, 100MHz, DMA, FAST ADC & PWM 32 Bit Core, 100MHz, DMA, FAST ADC & PWM 2009 Production - Available NOW Execution - Specification Frozen, in design Proposal - Specification Subject to Change 15

16 高速 DSC 内核串行通讯外设飞思卡尔片上系统方案嵌入式控制外设片内时钟系统 PLL CPU:56800E Flash Memory EEPROM RAM HS_CLK Sys_CLK Sys_Bus CANs I2Cs SPIs SCIs PWMs Multi Function Timers Tick Timers (PIT) Cross Bar Interconnection OSC Internal ROSC 片内电源 3.3V On-Chip Regulator COP SIM LVI POR 12bit ADC ACMPs DACs 高速外设时钟系统时钟电源数据 / 控制信号飞思卡尔专有技术系统管理外设单电源先进的 DSC 内核完全可扩展的产品组合内部外设模块互连 16

17 超低成本的 56F8000 成员 : 56F8002, 56F KB Program Flash 2KB Program/ Data RAM 56800E Core 32MHz JTAG/EOnCE 56F8002, 56F8006 System Integration Module (SIM) Interrupt Controller PLL Relaxation OSC Crystal OSC 1 Period Int Timer Voltage Regulator COP Power-On-Reset Power Supervisor Up to 40 GPIOs 1 SCI 1 SPI 1 IIC 2 x 16bit Timers 3 x Analog Comparators 2 x Programmable Gain Amplifiers 12ch 12bit ADC 12ch 12bit ADC Synch Programmable Delay Block 6-ch PWM Output 28SOIC, 32SDIP, 32LQFP, 48 LQFP 32 MHz/32 MIPS 56800E 内核 V 工作电压范围 12K 16K 字节带加密功能的程序 FLASH 存储器 2K 字节程序 / 数据 RAM 存储器可调节的内部松弛振荡器和 32KHz 时钟锁相环 (PLL) 达到 96MHz 的外设 Timers, PWM 和高速 SCI 6 通道输出的 PWM 模块, 支持 4 个可编程故障输入可编程死区插入可编程的 PWM 源灵活的 PWM 输出组合 2 个支持达到 32x 增益的可编程增益放大器 ( 输入偏移抵消能力 ) 2 个达到 24 个输入通道,2.5us 转换时间的 12 位 ADC 可编程延时模块 (PDB) 为 ADC/PGA 相对于 PWM 重载时刻采样提供精准的时间控制 3 个高速模拟比较器 2 个多功能可编程定时器看门狗定时器 (cop) 1 个周期间隔定时器 (PIT) 1 个高速串行通讯接口 (Hi-SCI) 1 个串行外设接口 (SPI) 1 个 I 2 C 通讯接口达到 40 个 GPIO 使用多功能引脚 JTAG/EOnCE 调试接口无铅绿色封装扩展工业温度 :

18 64KB Program Flash 8kB Data RAM 56800E Core 60Mhz JTAG/EOnCE System Integration Module (SIM) Interrupt Controller MC56F824x/5x 8ch 12bit ADCA 8ch 12bit ADCB CRC Crystal Oscillator PLL Relaxation OSC Voltage Regulator COP POR LVI 44LQFP, 48LQFP 64 LQFP 突破的特征 : 新一代增强的高速 PWM 模块 520ps 的占空比和周期精度灵活的边沿放置技术带可编程增益放大器的高速 ADC 600ns 转换时间多触发源内部模块互连总线模块可编程的片内模块互连功能 Prog Gain Amp Ax1,2,4 Prog Gain Amp Bx1,2,4 8-ch High Res PWM 1ch 12bit DAC 3 5bit DAC 3 Analog Comparators 2 x HS SCI 1 x QSPI 2x IIC/SMbus 1 x MSCAN 8Ch 16bit Timer Inter-module Cross Bar 革新的 MC56F82xx 产品 60 MHz/60MIPS 56800E 内核 V 工作电压范围 64K 字节带加密功能的程序 FLASH 存储器 8K 字节程序 / 数据 RAM 存储器 8Mhz/400Khz 可调的内部松弛振荡器软件可编程的锁相环达到 120 MHz 的外设 Timers 和 SCI 新一代增强的高速 PWM 模块 8 通道输出的 PWM 模块 520ps 的 PWM 和 PFM 精度多频率 PWM 输出 2 个达到 16 个输出通道的 12 位高速 ADC 600ns 转换时间每个输入通道内置达到 4x 增益的 PGA 1 个 12 位 DAC 3 个 5 位 DAC 3 个模拟比较器 8 个 16 位增强的多功能 Timers 循环冗余检查发生器 (CRC) 看门狗定时器 (COP) 2 个高速队列串行通讯接口 (QSCI) 1 个队列串行外设接口 (QSPI) 1 个 MS-CAN 接口 2 个 I 2 C/Smbus 通讯接口达到 54 GPIOs 内部模块互连总线 JTAG/EOnCE 调试接口无铅绿色封装扩展的工业温度 :

19 Kinetis Cortex M4 产品系列 19

DSP 单元 : 加速电机控制计算 DMA: 在重复数据传输时减轻 CPU 的负荷 16 位 ADC 和 PGA: 测量 3 相电流和电压模拟比较器 : 检测反电动势监测过流故障 K10 产品系列电机控制应用实例 FlexMemory: 保存电机校正数据用于远程刷新的引导程序定时器 : 驱动诸如步进电机, 无刷直流电机, 永磁同步电机和交流感应电机等不同电机类型

20 DSP 单元 : 加速电机控制计算 DMA: 在重复数据传输时减轻 CPU 的负荷 16 位 ADC 和 PGA: 测量 3 相电流和电压模拟比较器 : 检测反电动势监测过流故障 K10 产品系列电机控制应用实例 FlexMemory: 保存电机校正数据用于远程刷新的引导程序定时器 : 驱动诸如步进电机, 无刷直流电机, 永磁同步电机和交流感应电机等不同电机类型内置正交解码器检测电机转速信息可编程延时模块为 ADC 转换相对于定时器触发事件提供精确的延迟时间控制 Freescale names are the, 飞思卡尔 property and of their the respective Freescale owners. logo aretrademarksof Freescale Semiconductor, Freescale Semiconductor, Inc Inc. All other product or service I 2 C,UART,SPI, CAN: 与人机接口处理器进行通讯 20 20

21 适合电机控制的 Power Architecture MCU 产品 : MPC560xP 21

22 System Clock MPC560xP Power Architecture 内核达到 64MHz e200 zen0h 内核, 带 Harvard 结构的 32 位 Power Architecture Book E CPU VLE 指令集编码减少代码尺寸可选的配上存储器 On Chip Memory MC Peripherals CAN -Controller Area Network (FlexCAN) DSPI -Deserial Serial Peripheral Interface LINFlex -Serial Communication Interface (LIN support) FMPLL-Frequency-Modulated Phase-Locked Loop SRAM -Static Random-Access Memory VLE FlexPWM -Flexible Pulse Width Modulation etimer -Enhanced Timer PIT -Periodic Interrupt Timer SWT -Software Watchdog Timer STM -System Timer Module Safety 芯片型号 MPC5602P MPC5603P MPC5604P 支持 ECC 功能的程序 Flash 存储 256K 384K 512K 器支持 ECC 功能的数据 Flash 存储 64K 64K 64K 器支持 ECC 功能的 SRAM 存储器 24K 32K 40K FlexRay No No Yes 外设中断控制器 100ch 100ch 144ch 1 个高速 FlexCAN, 支持 32 个邮箱 (MB) 1 个安全端口 ( 能复用为 FlexCAN 支持 32 个邮箱 ) 1 个 FlexRay 控制器双通道, 支持 32 个邮箱 2 个 LinFlex 4 个 DSPI( 每个支持 4 个独立的片选信号输入 ) 1 个 FlexPWM(4 通道 /8 路输出, 同时支持 4 个故障输入 ) 2 个 etimer(6 通道, 支持正交解码功能 ) 2 个 ADC 2 x 12 个输入通道 ( 其中 4 个为共享输入通道 ) 10 位分辨率,625ns 转换时间 1 个交叉触发单元 (CTU) 支持 32 个输入通道,8 个事件和 24 个 ADC 命令 1 个故障收集单元系统 2 个 PLL(1 个 FM-PLL,1 个支持 FlexRay ) Crossbar 开关架构, 支持外设的并行访问 16 通道 edma 16MHz 内部 RC 振荡器结温传感器不可屏蔽中断可编程的看门狗定时器 22

23 电机控制外设交叉触发单元 (CTU) 支持 etimer,pwm 和 ADC 的同步 ADC 和 etimer 的自动获取控制周期内无需 CPU 干预 flexpwm Timer/ Pos. decoder compare PWM Triggers Real PWM s Trigger Generator CTU Scheduler ADC Cmd ADC 1 etimer etimer (Pos Counter) SHARE D ADC MCU 2 定时器模块类似于 DSC 定时器模块 6 通道输入捕获 / 输出比较功能双缓冲寄存器支持连续两个边沿捕获 edma 支持集成正交解码器功能达到 2x 总线频率时钟高分辨率 FlexPWM 类似于 DSC PWM 专为三相电机控制优化设计集成 1 对额外的 PWM 信号 PWM s 包括硬件死区插入, 故障输入, 中心 / 边沿对齐方式, 死区失真校正等功能关键寄存器保护双缓冲寄存器 edma 支持达到 2x 总线频率时钟高分辨率 Real PWM s Control PWM Reloa d External Signal PWM0 PWM0 PWM1 PWM1 PWM2 PWM2 PWM3 PWM3 Ch0 Ch1 Ch0 Ch1 Ch0 Ch1 Ch0 Ch1 External Trigger ADC Trig & Ackw ADC Inputs M 6 2 DC/DC 8 M 2 个 ADC 达到 24 个独立输入通道和 4 个共享输入通道 10 位分辨率 625ns 转换时间限幅检查和过零检测 I/F 10bit S&H MUX I/F 10bit S&H MUX

24 小结尖端经济有效完备的技术方案飞思卡尔为每种电机类型提供了尖端经济有效和完备的技术方案高效节能的电机控制技术每个电机控制处理器均能实现矢量控制和无位置传感器控制技术低成本的 8 位和 16 位 MCU 产品适合三相交流感应电机和永磁同步电机控制的 16 位 DSC 产品适合标准 / 特级驱动器的 32 位 Power Architecture MCU 产品强大的技术支持丰富的开发工具, 培训, 参考设计和函数库长使用寿命和高可靠性保证的产品高质量和专业客户支持的工业级产品承诺 10+ 年的发货周期片内经济有效的安全和保密功能保护系统以防知识产权免受克隆, 数据免受网络黑客窃取和软件错误 24

25 更多信息想了解更多相关信息, 请访问以下内容 : 电机控制主页位微控制器位 DSC 位 Power Architecture 微处理器模拟产品工业领域

26 基于 MC56F80xx 的无位置传感器永磁同步电机控制方案 MC56F80xx 数字信号控制器 3 相 AC/BLDC 通用高压功率平台单相 110/230VAC@50/60Hz 输入家电用永磁同步电机初始转子位置检测全转矩启动高速弱磁控制基于 C 调用库函数的应用程序开发 (GFLIB, GDFLIB,MCLIB,ACLIB) 电流环执行时间 :55us 转速环和弱磁控制执行时间 :17us Flash 占用空间 :~6KB,RAM:~1.5KB 26

低成本的 BLDC 电机控制演示板无刷直流电机,MaxonEC-200187,6W/9V 电机接口连接器电源输入连接器 56F8013 演示板子板连接器 LED 电源指示灯电机母线电压检测电路

27 低成本的 BLDC 电机控制演示板无刷直流电机,MaxonEC ,6W/9V 电机接口连接器电源输入连接器 56F8013 演示板子板连接器 LED 电源指示灯电机母线电压检测电路电机母线电流检测电路电机三相反电动势检测电路过零检测电路霍尔信号输入 / 反电动势过零信号输入选择器 3 相 H 桥功率平台电源调节器电路 5 个板上用户实时调试 LED( 可选 ) 订单号 :APMOTOR56F

基于 MC56F8013 的无位置传感器 BLDC 电机控制方案三相无刷直流电机无位置传感器控制适合风扇, 泵和压缩机控制应用 3 相功率平台 BLDC 电机使用 MC56F8013 32MIPS 混合控制器能驱动两个功率平台和两个电机 +12 Vdc 的功率平台输入电压 UNI-3 电机控制信号接口控制技术包括 : 无位置传感器,

28 基于 MC56F8013 的无位置传感器 BLDC 电机控制方案三相无刷直流电机无位置传感器控制适合风扇, 泵和压缩机控制应用 3 相功率平台 BLDC 电机使用 MC56F MIPS 混合控制器能驱动两个功率平台和两个电机 +12 Vdc 的功率平台输入电压 UNI-3 电机控制信号接口控制技术包括 : 无位置传感器, 带反电动势检测的三相 BLDC 电机梯形波控制使用 ADC 过零检测功能检测电机反电动势的过零点信息转速和电流 PI 闭环控制转速范围 : 或 RPM( 根据使用的电机 ) 手动接口 (run/stop 开关,up/down 按钮 ) FreeMASTER 连接 DSC 56F F8013 电机控制板 DRM070 28

29 通过调节六步逆变器的 DC 母线电压来控制三相 BLDC 电机应用笔记编号 :DRM078 转速能达到 10Krpm 以上, 适合高速场合应用高速 BLDC 电机控制方案 29

MC9S08MP16: 启动工具 DEMO9S08MP16( 通用演示板 ) 演示方案使用 ADC 逼近方法的无位置传感器 BLDC 电机控制参考设计使用比较器实现的无位置传感器 BLDC 电机控制带 PFC 功能的 3 相 ACIM V/Hz 控制带 PFC 功能的工业 HID 灯控制软件库 S08

30 MC9S08MP16: 启动工具 DEMO9S08MP16( 通用演示板 ) 演示方案使用 ADC 逼近方法的无位置传感器 BLDC 电机控制参考设计使用比较器实现的无位置传感器 BLDC 电机控制带 PFC 功能的 3 相 ACIM V/Hz 控制带 PFC 功能的工业 HID 灯控制软件库 S08 算术运算和嵌入式算法库应用笔记适合无位置传感器 BLDC 电机控制的 S08MP16 内置比较器学习使用 MP16 外设模块 (FTM,PDB,ADC) 使用 ADC 逼近方法的无位置传感器高速 BLDC 电机控制使用霍尔传感器的 BLDC 电机控制 FlexTimer 在 DC/BLDC 电机控制中的应用 30

31 Questions? 31

32 TM

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USB解决方案.ppt USB USB? RS232 USB USB HID U modem ADSL cable modem IrDA Silabs USB CP210x USB UART USB RS-232 USB MCU 15 USB 12 FLASH MCU 3 USB MCU USB MCU C8051F32x 10 ADC 1.5%, Vref CPU 25MIPS 8051 16KB Flash -AMUX