來源：?瑞薩MCU小百科

一概述

如今，許多電機控制系統(tǒng)都采用將電機控制算法燒寫到MCU的方式來實現(xiàn)。但由于需求的多樣化，控制算法也變得日益復雜，在使用一個MCU的情況下，不僅需要實現(xiàn)電機控制，還要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信和控制。這樣一來，開發(fā)人員必須比以往更多地考慮復雜的實時處理功能（如電機控制）與非實時處理功能（如系統(tǒng)控制）的共存。此外，為了在市場上具有價格競爭力，開發(fā)人員還面臨著及早上市和降低成本等重大挑戰(zhàn)。

本文將為您描述基于RA6T2 MCU的各種解決方案如何解決上述問題。

二電機控制

電機控制是一項由來已久的技術(shù)，大約有200年的歷史。根據(jù)不同的應用場景，電機分為多種類型，它們已經(jīng)發(fā)展成為支撐人類生活的重要技術(shù)。尤其是功能豐富且易于維護的電機，由于其控制比較復雜，通常采用對MCU進行編程的方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

什么是逆變器？

從本質(zhì)上來說，逆變器是指將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置/電路。在家電和工業(yè)領域，它一般用于將交流電轉(zhuǎn)換為任何頻率或電壓。這樣做的優(yōu)勢是能源利用效率比采用恒頻商用電源的驅(qū)動系統(tǒng)更高，因為逆變器可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。

逆變器電路

逆變器電路通過以特定周期反復導通/關斷連接直流電源的晶體管來產(chǎn)生交流電壓。導通/關斷操作由MCU內(nèi)置的定時器輸出來實現(xiàn)。該輸出稱為PWM（脈寬調(diào)制）。電機的工作狀態(tài)、靜音程度和電源效率取決于生成該PWM與切換導通/關斷狀態(tài)的速度有多快、精度有多高。

速度控制工作原理

下圖顯示了在MCU使用上述逆變器裝置控制電機轉(zhuǎn)速時的信號流。其中包含用于控制BLDC電機的MCU的軟件模塊和外設電路。

通過內(nèi)置MCU控制電機速度的原理圖

MCU將速度/轉(zhuǎn)矩命令轉(zhuǎn)換為參數(shù)，確定PI控制單元中的PWM占空比，然后輸出脈沖。盡管這種方式需要依賴于控制算法，但利用電機電流、分流電阻電流、霍爾元件和編碼器等，仍可將速度和轉(zhuǎn)子位置信息反饋給MCU，并執(zhí)行循環(huán)運算。反復執(zhí)行該運算可檢測并校正實際電機運行相對于命令值的差值。在電機控制系統(tǒng)中，需要在控制周期內(nèi)完成這一系列處理。因此，電機控制被稱為實時應用。此外，通過縮短該控制周期可對電機進行精密控制，從而使電機應用響應快、效率高。

三新一代電機控制系統(tǒng)開發(fā)中的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，我們來看一下開發(fā)人員在開發(fā)新一代電機控制設備時所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。大致說來，關鍵點在于首先要滿足實現(xiàn)高級控制系統(tǒng)所需的性能，同時構(gòu)建開發(fā)環(huán)境以使其及時上市。

1滿足更高的性能和處理復雜性要求：

如上所述，電機控制本身可以檢測命令值與實際電機運行之間的差值并反復進行控制。為了實現(xiàn)快速響應和高效率，必須進一步縮短控制周期，并在該控制周期內(nèi)完成電機控制計算。但是，由于附加處理功能（用于實現(xiàn)附加功能）與非實時處理功能（如通信和整個系統(tǒng)的控制）共存，因此MCU需要具備強大的處理能力，才能在電機市場上取得成功。

2構(gòu)建電機控制的評估環(huán)境：

為了控制各種電機，需要了解每種電機的特性，并開發(fā)相應的硬件以對其進行評估。這需要花費大量的工程時間。此外，對于新MCU，還需要移植或從頭開始創(chuàng)建軟件以實現(xiàn)外設功能（如控制算法和內(nèi)置于MCU的PWM定時器），這會耗費大量的開發(fā)時間。

這些常見的電機控制問題可以使用RA6T2來解決。RA6T2是一款RA產(chǎn)品家族ASSP產(chǎn)品，用于電機控制和電機開發(fā)解決方案，其中包含開發(fā)工具包、應用筆記和開發(fā)工具等。首先，我們來看一下應對第一項挑戰(zhàn)的方法。

四RA6T2專為電機控制而設計

RA6T2是一款可實現(xiàn)新一代電機應用所需的實時控制性能的MCU。瑞薩過去開發(fā)了大量用于電機控制的MCU，其中內(nèi)置的PWM定時器和模擬功能經(jīng)歷了不斷的改進，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)更為高級的控制。采用Arm Cortex-M內(nèi)核的RA產(chǎn)品家族繼承了這一優(yōu)秀基因，并且發(fā)展出了面向電機控制的ASSP產(chǎn)品。最先發(fā)布的是搭載Arm Cortex-M4的RA6T1。RA6T2是最近推出的產(chǎn)品，也是第二款搭載Arm Cortex-M33內(nèi)核的產(chǎn)品，其工作頻率為240MHz。這些MCU是實時引擎，將32位電機定時器和增強的模擬功能與瑞薩的原始閃存相結(jié)合。

RA6T2有兩項主要的硬件改進——內(nèi)置高速閃存和加速器，旨在實現(xiàn)新一代電機控制所需的高實時性能。

高速閃存

通常，當CPU訪問慢速存儲器時，會使用高速緩存來減少這種開銷，因為它會等待訪問完成。但是，在電機控制程序中，由于頻繁的分支處理和中斷，會出現(xiàn)緩存未命中和性能下降的情況。因此，RA6T2內(nèi)置了瑞薩獨有的120MHz零等待訪問高速閃存，即使在緩存未命中的情況下也有助于減少損失，并實現(xiàn)較少波動的實時性能。

用于電機控制的加速器

RA6T2配備了兩個硬件加速器，即TFU（三角函數(shù)單元）和IIRFA（IIR濾波器加速器），用于高速電機控制運算。TFU負責處理sinf、cosf、atan2f和hypotf函數(shù)的快速計算，這在矢量控制的dq轉(zhuǎn)換中十分有用。同樣，IIRFA可應用于陷波濾波器以抑制機械諧振。由于系數(shù)和延遲數(shù)據(jù)可以保存在本地存儲器中，因此可以簡單地通過設置輸入值來獲得計算結(jié)果。這些加速器僅支持電機控制的基本要素，這使它們可以輕松應用于各種現(xiàn)有算法。

這兩項功能都專門針對實時性能，可以減少性能波動并顯著減輕CPU負荷。因此，可以通過縮短控制周期來增添快速響應和高效率控制以及非實時處理能力。

除了可提高實時性能外，RA6T2還具有48引腳、64引腳和100引腳LQFP封裝三種選擇。這些封裝在功能上相互兼容，并且引腳分配可擴展，因此即使采用不同的封裝，仍可彼此輕松共享開發(fā)資產(chǎn)。這使得開發(fā)一個支持多模型開發(fā)（白色家電和工業(yè)設備）的平臺成為可能，并可及早將產(chǎn)品投放市場。此外，還提供48引腳和64引腳QFN封裝，可滿足電動工具、機器人和無人機等設備的小尺寸需求。

審核編輯：湯梓紅