三大電機(jī)控制方案之MCU篇：英飛凌 XMC1000

1、三大電機(jī)控制方案之mcu篇：英飛凌 xmc1000是目前市場主流的電機(jī)控制計(jì)劃，適用于高、中、低端電機(jī)控制。通過內(nèi)部集成的電機(jī)控制模塊，可簡化客戶對于電機(jī)控制的開發(fā);而相對于較強(qiáng)的控制功能，能更好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的伺服控制和庇護(hù)功能。關(guān)于電機(jī)控制計(jì)劃，dsp、mcu和各有其優(yōu)特點(diǎn)。dsp由于數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，適用于高端復(fù)雜的電機(jī)系統(tǒng)控制，但它依靠于軟件算法的成熟度和穩(wěn)定性，對開發(fā)者的要求比較高。fpga通過集成規(guī)律及專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，能夠很好地適用于客戶化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但在電機(jī)控制的通用性方面略有不足。mcu通常側(cè)重于i/o接口的數(shù)量和可編程存儲器的大小，十分適用于有大量的i/o操作的場合，

2、所以廣泛應(yīng)用在低成本，低功耗和對精度要求不高的系統(tǒng)中。但因?yàn)楸旧硖幚砟芰τ邢?，?yīng)用的場合受到了比較大的限制。為了帶大家深化地了解市面上主流的電機(jī)控制計(jì)劃，小編將從mcu，dsp，fpga三個(gè)方向入手，盤點(diǎn)各大廠商推出的電機(jī)控制計(jì)劃。本系列主要針對mcu領(lǐng)域，后續(xù)將會(huì)漸漸完美其它系列，敬請期盼!mcu是目前市場主流的電機(jī)控制計(jì)劃，適用于高、中、低端電機(jī)控制。通過內(nèi)部集成的電機(jī)控制模塊，可簡化客戶對于電機(jī)控制的開發(fā);而相對于dsp較強(qiáng)的控制功能，能更好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的伺服控制和庇護(hù)功能。目前，8位mcu主要用于電機(jī)控制的低成本，低性能場合，16位、32位mcu則用于中/高性能場合。英飛凌針xmc100

3、0英飛凌針對中國市場推出全新xmc1000工業(yè)，在電機(jī)控制領(lǐng)域擁有很高的性價(jià)比。xmc1000將 -m0內(nèi)核與尖端的65nm制程技術(shù)結(jié)合在一起，克服了當(dāng)今8位設(shè)計(jì)的限制，并使當(dāng)前的8位用戶有機(jī)會(huì)享受32位性能，而無需在價(jià)格或易用性方面付出代價(jià)。簡介xmc1000具有最具擴(kuò)展性的閃存組合，容量從8kb- 200kb不等。xmc1000的三個(gè)不同系列涵蓋了眾多應(yīng)用領(lǐng)域。xmc1100系列是xmc單片機(jī)的入門級挑選，該系列器件具有6個(gè)12位a/d轉(zhuǎn)換器通道(轉(zhuǎn)換速率高達(dá)1.88兆采樣/秒)、4個(gè)16位定時(shí)器(捕捉/比較單元4(ccu4)以及寬工作范圍(1.8v-5.5v)。這些特性使xmc1000可

4、適用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。x mc1200系列具有面對照明和hmi設(shè)計(jì)的外設(shè)，包括一個(gè)觸控和led顯示控制單元，一個(gè)bccu。bccu可在處理器幾乎不介入的狀況下，對led舉行無閃耀調(diào)光和色彩控制。該系列產(chǎn)品的工作溫度范圍為-40°c 到105°c。xmc1300系列可滿足電機(jī)控制或數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的實(shí)時(shí)控制需求，它集成一個(gè)功能強(qiáng)大的捕捉/比較單元 ccu8(支持8對互補(bǔ)生成和非對稱pwm生成)，集成位置接口單元(posif)，支持精確的電機(jī)位置檢測。xmc1300系列還集成算術(shù)協(xié)處理器，支持無foc(磁場定向控制)解決計(jì)劃，提高電機(jī)運(yùn)行效率。這是其他基于的單片機(jī)產(chǎn)品所沒有

5、的。xmc1300系列的工作溫度最高可達(dá)105°c 。xmc1000家族成員特性表功能框圖xmc1000主要特性：32位arm cortex-m0(32mhz)內(nèi)核，低端領(lǐng)域最具擴(kuò)展性的閃存組合，容量從8kb- 200kb不等，適用于軟件ip庇護(hù)的aes 128位平安加載器，專利的led顏色控制引擎，率先的xmc混合信號和定時(shí)器外設(shè)，iec 60730 class b標(biāo)準(zhǔn)兼容，面對觸控和led顯示控制的外設(shè)，面對高端控制回路(cordic / divide)的64mhz算術(shù)協(xié)處理器，溫度范圍擴(kuò)展至105°c。單元模塊介紹xmc1000的bccu-亮度顏色控制單元1 概述bc

6、cu是亮度顏色控制單元(brightness and color control unit)，用于控制多至9個(gè)不同的led。通過12bit的delta sigma反變換把亮度控制值轉(zhuǎn)換為比特流。這種結(jié)構(gòu)使得bccu還可以銜接一個(gè)外部rc電路作為用法。xmc1000系列中，xmc1200和xmc1300帶有bccu模塊2 特性1)包括3個(gè)自立的dimming engine(亮度控制引擎)2)dimming engine支持12位(4096)不同的亮度輸出3)亮度根據(jù)指數(shù)曲線調(diào)整，且步長可調(diào)4)9個(gè)自立的輸出通道，輸出比特流，可以控制9個(gè)不同的led或作為dac用法5)通道可銜接一個(gè) walker

7、，它的輸出時(shí)led的飽和度(intensity)，支持12位調(diào)整6)通道和dimming engine之間可自由銜接7)通道也可銜接飽和度調(diào)整器和dimming engine輸出值的乘積8)每個(gè)通道可銜接一個(gè)packer，當(dāng)需要降低開關(guān)頻率是可用到9)有兩個(gè)通道可以銜接3 通道結(jié)構(gòu)每個(gè)通道都是相同的結(jié)構(gòu)，其中左側(cè)是通道的輸入(包括dimming engine和linear walker)，右側(cè)bccu.outy是通道的輸出，從這個(gè)結(jié)構(gòu)框圖可以看出bccu通道的工作分為幾步1)輸入的挑選和配置2)輸入通過delta sigma轉(zhuǎn)換為比特流3)比特流通過一個(gè)可選的packer，某些led或其驅(qū)動(dòng)芯

8、片有最短開通時(shí)光的限制，packer可以用于類似的需要降低開關(guān)速度的狀況。4)外部使能是否輸出5)同時(shí)delta sigma的輸出可以產(chǎn)生一個(gè)tigger，用以動(dòng)身adc轉(zhuǎn)換等通道的輸入可以有兩種，這可以通過修改寄存器dbp來挑選，其中l(wèi)inear walker的輸出為飽和度intensity1)dimming engine輸出和linear walker輸出的乘積2)linear walker的挺直輸出xmc1000的隨機(jī)數(shù)生成單元prng1 背景prng(preeudo random number generator)是隨機(jī)碼生成模塊，可以產(chǎn)生8/16位隨機(jī)碼。2 工作原理1)框圖2)工作

9、原理這個(gè)模塊通過向隨機(jī)數(shù)序列生成器寫入key，來產(chǎn)生8/16位的隨機(jī)數(shù)，其中隨機(jī)數(shù)序列的產(chǎn)生和key是唯一對應(yīng)的。隨機(jī)key寫入完畢后，可以讀出隨機(jī)序列，隨機(jī)key寫入和隨機(jī)序列讀出的位置都是prng_word，不過他們在不同的步驟中操作，所以不會(huì)產(chǎn)生矛盾。3)用法a.首先設(shè)定kld=1，進(jìn)入key寫入模式，寫入隨機(jī)key，key可以是隨意位數(shù)，推舉80位，分為5個(gè)16bit寫入prng_word中。注重，惟獨(dú)當(dāng)prng_chk.rdv=1時(shí)，才干向prng_word中寫入keyb.key寫完后，把kld置為0。然后，當(dāng)prng_chk.rdv=1，可以從prng_word中讀出隨機(jī)序列。隨機(jī)

10、序列可以為8、16位數(shù)據(jù)，這個(gè)通過prng_chk.rdbs來控制。c.若在隨機(jī)碼產(chǎn)生過程中把kld置為1，則可繼續(xù)寫入key，新寫入的key會(huì)和之前的key共同作用于隨機(jī)序列d.通過rdbs置為00，可以重啟該模塊e.若在重啟前，記錄隨機(jī)序列起碼80位，重新作為key寫入，則隨機(jī)序列會(huì)接著上次的輸出繼續(xù)產(chǎn)生。xmc1300的math協(xié)處理器1 xmc1300芯片帶有一個(gè)math協(xié)處理器，它包含以下兩個(gè)子模塊除法器和cordic協(xié)處理器2 除法器特性：可做32位/32位，32位/16位，16位/16位除法操作：除法器啟動(dòng)，啟動(dòng)方式有兩種，通過設(shè)定divcon.stmode來選取，a. 當(dāng)div

11、con.stmode=0，寫入dvs即啟動(dòng)除法b. 當(dāng)divcon.stmode=1，寫入divcon.st位即啟動(dòng)除法除法器忙，當(dāng)除法器工作時(shí)，divst.bsy = 1，這時(shí)不要再試圖啟動(dòng)其他的除法，除法器需要35個(gè)周期結(jié)束，結(jié)束時(shí)可挑選產(chǎn)生中斷，并會(huì)浮現(xiàn)結(jié)果置位，這個(gè)結(jié)果置位需要手動(dòng)清除。3 cordic協(xié)處理器cordic協(xié)處理器可舉行三角函數(shù)、雙曲線函數(shù)和一次線性函數(shù)，其中函數(shù)模式通過con.mode來挑選。計(jì)算模式包括向量模式和旋轉(zhuǎn)模式，通過con.rotvec來挑選，特性：24位精度，circula模式旋轉(zhuǎn)模式輸入x，y，z 輸出x= k*x*cos(z)-y*sin(z)/mp

12、s，y= k*y*cos(z)+x*sin(z)/mps，z=0，其中k=1.646760258121向量模式輸入x，y，z，輸出x= k*sqrt(x2+y2)/mps，y= 0，z=z+atan(y/x)主要應(yīng)用：計(jì)算sin(z)，cos(z)，tan(z)，ctg(z)等雙曲線模式- 旋轉(zhuǎn)模式輸入x，y，z，輸出x=kxcosh(z)+ysinh(z)/mps，y= kycosh(z)+xsinh(z)/mps，z=0-向量模式輸入x，y，z，輸出x=k*sqrt(x2-y2)/mps，y= 0，z=z+atanh(y/x)，其中k = 0.828159360960主要應(yīng)用，計(jì)算sinh

13、(z)，cosh(z)，tanh(z)，ctgh(z)等，同時(shí)可以計(jì)算ln(w)，sqrt(w)，acosh(w)，asinh(w)等一次線性模式輸入x，y，z，輸出x=x/mps，y=y+x*z/mps，z=0-向量模式輸入x，y，z輸出x=x/mps，y= 0，z=z+y/x4 除法器和cordic的互聯(lián)除法器的輸入可以由除法器的結(jié)果或cordic的結(jié)果挺直輸入，這樣構(gòu)成了除法器和cordic的級聯(lián)。比如計(jì)算tan(z)，可以挺直把cordic的輸出sin(z)銜接到dvd，cos(z)銜接到dvs，這樣就可以得到tan(z)。xmc1000的中斷控制器1 概述xmc1000系列的中斷處理

14、器包括32個(gè)中斷處理節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)支持4級中斷優(yōu)先級，支持尾鏈(tail-chaining )，支持軟中斷。2 中斷對應(yīng)表格，可查相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊活產(chǎn)品手冊3 中斷功能由以上框圖可以看出，對應(yīng)于每個(gè)中斷，都可以由外部或軟件觸發(fā)產(chǎn)生，不過每個(gè)中斷又需要單獨(dú)使能才干終于進(jìn)入中斷處理。同時(shí)中斷也可以被軟件清除，或者當(dāng)進(jìn)入中斷處理后，硬件會(huì)自動(dòng)清除。另外要注重的是，當(dāng)硬件中斷和軟件清除同時(shí)到來，軟件清除會(huì)被系統(tǒng)忽視，即硬件中斷置位優(yōu)先級高。從中斷觸發(fā)到進(jìn)入中斷處理程序，普通要花費(fèi)21個(gè)系統(tǒng)周期。注：尾鏈技術(shù)(tail-chain)這個(gè)技術(shù)是arm推出的可以減小中斷等待時(shí)光的技術(shù)。普通狀況下的中斷處理，需要

15、先保存堆棧，再出棧，假如中途有新的更高優(yōu)先級的中斷，則需要重新做上一步驟。假如用法了尾鏈技術(shù)，則其次個(gè)中斷到來時(shí)候，不需要重復(fù)保存堆棧，再出棧的過程。xmc1000電機(jī)應(yīng)用相關(guān)外設(shè)集pwm - ccu4，多功能16位定時(shí)器組，4個(gè)徹低相同、自立運(yùn)行的子單元實(shí)現(xiàn)功能(部分)：通用16位定時(shí)器，自立的16位pwm生成，外部信號捕捉(周期，占空比)，計(jì)數(shù)功能：與其他外設(shè)協(xié)作工作，與adc協(xié)作，觸發(fā)延時(shí)采樣，與posif協(xié)作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、位置計(jì)算：，增量式，與協(xié)作，實(shí)現(xiàn)外部大事觸發(fā)pwm - ccu8pwm生成(pfc)，ccu8 = ccu4+，集成ccu4全部功能，8對互補(bǔ)pwm輸出(自立死區(qū))，支

16、持頻繁的各種電機(jī)拓?fù)鋚wm生成，半橋、全橋、三相全橋、三電平控制等，支持移相pwm：單母線電流采樣，與posif協(xié)作，實(shí)現(xiàn)bldc控制，硬件觸發(fā)adc采樣，adc & 比較器，三路自立、高速比較器單元，3mv 輸入偏置電壓，30ns傳輸延時(shí)，可觸發(fā)pwm， a/d操作，回差可調(diào)：0mv，15mv，20mv，位置接口單元 - posif，增量編碼器，霍爾傳感器，多通道模式(bldc 相關(guān))。應(yīng)用：與ccu4協(xié)作舉行位置、速度的檢測，與ccu8協(xié)作舉行直流無刷電機(jī)控制，位置接口單元 - 旋轉(zhuǎn)接口(dsd)。旋改變壓器：環(huán)境不敏感，系統(tǒng)成本較高、精度受限。應(yīng)用領(lǐng)域：伺服控制系統(tǒng)，汽車、電力、

17、冶金等。通訊接口xmc1000通用的應(yīng)用領(lǐng)域led 照明;適合領(lǐng)域：led 路燈，彩色led控制，亮度控制等;應(yīng)用優(yōu)勢：無閃耀調(diào)光及顏色控制，僅需極少cpu負(fù)荷，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)光，通信接口支持網(wǎng)絡(luò)銜接。數(shù)字電源轉(zhuǎn)換：傳感器、執(zhí)行器、通用應(yīng)用;適合領(lǐng)域：低端工業(yè)、消費(fèi)類應(yīng)用，現(xiàn)有8位微控制器的相關(guān)應(yīng)用;應(yīng)用優(yōu)勢：通用、強(qiáng)大，小封裝、大flash， 大ramxmc1000應(yīng)用在電機(jī)控制領(lǐng)域(支持容易控制至無傳感器foc)：支持各種電機(jī)應(yīng)用：風(fēng)機(jī)，水泵，家電，電動(dòng)自行車等電機(jī)類型：直流有刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)，永磁同步電機(jī)控制算法：梯形波控制，容易正弦波控制，磁場定向控制(foc)xmc1000的兩個(gè)電機(jī)控制應(yīng)用實(shí)例電動(dòng)自行車(ebike)控制器 - 雙模foc控制xmc1300雙模foc計(jì)劃電動(dòng)自行車進(jìn)展功能列表結(jié)構(gòu)框圖航模控制器 - 高速無感bl