原创 AG32 AG32MCU +cpld 2024年12月24日 17:23 浙江
AG32 MCU 的电机控制方案
在工业自动化、智能家居、新能源设备等众多领域，电机控制的精准性、稳定性和高效性至关重要。
AG32 MCU 凭借其高性能处理器、丰富的外设资源以及独特的 2K CPLD 资源，在电机控制领域可以展现出卓越的优势。通过精心设计的硬件接口、先进的无感 FOC 控制算法以及完善的系统监测和保护机制，能够满足不同行业、不同应用场景下电机控制的多样化需求，为电机控制系统的高效、稳定、智能运行提供了可靠的解决方案。
一、AG32 MCU 在电机控制中的优势
（一）强大的处理能力
AG32 最高 248 MHz 的主频，能够快速处理电机控制算法中的复杂计算任务，确保电机运行的实时性和精确性。例如，在高速电机的转速调节和位置控制中，快速的处理能力可实现精准的指令响应，避免因处理延迟导致的电机运行不稳定。
（二）丰富的存储资源
内含 128KB SRAM 和 1MB Flash，为存储电机控制算法、运行参数以及实时数据提供了充足的空间。在多模式电机控制应用中，可以方便地切换不同的控制策略，并存储大量的历史运行数据用于故障分析和性能优化。
（三）2K CPLD 资源助力定制化控制
2K 的 CPLD 资源可用于实现专用的逻辑控制功能，如优化 PWM 信号生成，使其具有更高的分辨率和精度，满足电机在不同工况下的驱动需求；实现状态机，有效管理电机的不同运行状态，提高系统的可靠性和稳定性；还可构建硬件滤波器，对电机反馈信号进行实时滤波处理，提高信号质量，增强系统的抗干扰能力。
二、电机控制硬件接口设计
（一）定时器与 PWM 控制
5 个高级定时器，每个定时器均支持多种 PWM 模式和死区控制功能。在三相 BLDC 电机控制中，通过精确配置定时器，可生成高质量的三相 PWM 驱动信号，确保电机绕组的电流波形平滑，有效降低电机的转矩脉动和电磁噪声。例如，在电动工具的电机驱动中，稳定的 PWM 信号可使工具运行更加平稳，提高工作效率和使用寿命。
（二）ADC 与电流采样
3x12 位 ADC，每个 ADC 具备 17 个通道，支持高达 3M SPS 的采样率。将 ADC 输入端与电流传感器和反电动势（BEMF）检测电路紧密连接，实现对电机电流和反电动势的实时、高精度采样。在电机运行过程中，准确的电流采样数据对于实现闭环控制至关重要，如在矢量控制算法中，通过实时监测电流反馈，可精确调整电机的转矩和磁通，实现高效节能运行。
（三）DAC 输出
2 个 DAC 可用于生成模拟参考信号，辅助电机的调试和控制。例如，在电机的初始调试阶段，DAC 可输出不同频率和幅值的模拟信号，模拟电机的运行状态，帮助工程师优化控制算法和参数设置。同时，在一些特殊应用场景下，DAC 输出的模拟信号还可用于驱动外部模拟电路，实现与其他设备的协同工作。
（四）通信接口
-
**CAN 接口：**用于实现与主控单元或其他控制器之间的可靠通信。在工业自动化生产线中，电机控制器通过 CAN 总线与上位机或其他设备进行数据交互，接收控制指令，上传电机的运行状态和故障信息，确保整个生产系统的协调运行。
-
**UART、I2C 和 SPI 接口：**实现与各类传感器（如温度传感器、位置传感器等）、外围设备（如显示屏、按键模块等）以及上位机的通信连接。例如，通过 UART 接口与温度传感器通信，实时监测电机的温度，当温度超过设定阈值时，及时调整电机的运行参数或采取相应的保护措施；通过 SPI 接口与显示屏连接，可直观显示电机的转速、电流、温度等运行参数，方便用户进行监控和操作。
-
**以太网 MAC 和 USB FS+OTG：**提供了高速的数据传输通道，便于进行固件升级、远程调试以及与外部设备进行大量数据的交互。在智能家居系统中，用户可以通过以太网或 USB 接口对电机控制器进行远程配置和升级，同时电机运行数据也可实时上传至云端服务器，进行数据分析和管理。
-
（五）系统监测与保护
-
**看门狗定时器：**持续监控系统运行状态，一旦检测到系统死机或异常运行，立即触发复位操作，确保系统的可靠性和稳定性。在长时间连续运行的电机控制系统中，如工业风机、水泵等设备，看门狗定时器可有效防止因软件故障导致的系统崩溃，提高设备的运行安全性。
-
**双通道比较器：**用于实时监测电机的电压和电流，当检测到过压、过流等异常情况时，迅速触发保护机制，如切断电源或调整电机的运行状态，避免电机和其他设备因过压、过流而损坏。在电动汽车的电机驱动系统中，比较器的快速响应可有效保护电池和电机免受短路、过载等故障的影响。
-
**RTC（实时时钟）：**准确记录电机的运行时间和状态信息，为设备的维护和故障排查提供重要依据。通过 RTC 记录电机的累计运行时间、启动次数、故障发生时间等信息，维修人员可以快速了解电机的使用情况，及时发现潜在问题并进行针对性的维护和修理。
-
三、无感 FOC 控制算法实现
（一）支持浮点运算
AG32 内置的浮点单元，为无感 FOC（Field Oriented Control，磁场定向控制）算法中的复杂数学运算提供了有力支持。在 FOC 算法中，涉及大量的三角函数、矩阵运算等，浮点运算能够确保这些计算的高精度和高效率，从而实现电机的精确控制。例如，在高精度的数控机床、机器人关节电机控制中，浮点运算可保证电机的位置和速度控制精度达到微米级和毫秒级，满足精密加工和精确运动控制的要求。
（二）电流控制
利用 ADC 对电机电流进行实时采样，通过 FOC 算法中的电流环控制，根据设定的电流目标值，精确调整 PWM 信号的占空比，实现对电机电流的精准控制，进而实现电机转矩的精确调节。在电梯电机控制中，精准的电流控制可确保电梯平稳启动、加速、减速和停止，为乘客提供舒适的乘坐体验，同时避免因电流过大或过小对电机和机械部件造成损坏。
（三）反电动势（BEMF）检测
通过 ADC 通道对电机的反电动势进行实时检测，结合 FOC 算法中的速度和位置估算模块，实现电机的无感控制。在低速运行时，BEMF 信号相对较弱，AG32 凭借其高分辨率的 ADC 和精确的算法，仍能准确检测到 BEMF 信号，实现低速高效的电机控制。例如，在风扇、小型水泵等低速运行设备中，无感 FOC 控制可减少传感器的使用，降低成本，同时提高系统的可靠性和稳定性。
四、应用案例
（一）工业自动化领域
在自动化生产线上，AG32 MCU 控制的电机广泛应用于各种设备，如传送带电机、机械臂关节电机等。通过精确的速度和位置控制，确保产品在生产线上的准确传输和装配，提高生产效率和产品质量。同时，系统的稳定性和可靠性保证了生产线的长时间连续运行，降低了维护成本。
（二）智能家居领域
在智能家电中，如智能空调、智能洗衣机等，AG32 MCU 实现了电机的高效节能控制。例如，智能空调的压缩机电机和风扇电机通过 AG32 的精准控制，根据室内外温度、湿度等环境参数自动调整转速，实现节能运行，同时为用户提供舒适的室内环境。在智能洗衣机中，电机的无感 FOC 控制实现了多种洗涤模式下的平稳运行，降低了噪音，延长了电机和洗衣机的使用寿命。
（三）新能源设备领域
在太阳能光伏系统中，AG32 MCU 用于控制光伏板的跟踪电机，使光伏板始终保持与太阳光线垂直，提高太阳能的利用率。在风力发电系统中，AG32 控制的发电机电机实现了高效的电能转换，根据风速和负载情况自动调整电机的运行状态，确保风力发电系统的稳定输出。
如需了解更多请联系我们
方案特点：
1、AG32具备最高248MHz时钟频率，拥有丰富的外设，包括五个UART、两个I2C、支持USB、CAN和SPI通道等丰富的外围模块，以其高速的指令执行速度、方便的JTAG调试方式和低功耗等特性为数据采集与处理的设计提供了一个较为完善的平台。
2、AG32拥有3x12位最多3M SPS的ADC（17个通道），和2个DAC，并且提供两个双通道比较器。
3、AG32初始与STM32管脚兼容，但可以通过配置文件全部灵活重定义，给内核中的MCU和CPLD使用，因此可提供超出STM32的GPIO口数量。
4、AG32的MCU和CPLD通过芯片内部AHB总线高速通信，速度远超传统SPI。
5、AG32内置CPLD可实现客户定制逻辑功能。
6、提供32/48/64/100多种封装。