雅特力AT32高性能MCU，驱动电机控制应用发展与创新

      在世界环保趋势与工业自动化浪潮下，家电、商务、工业与医疗等领域纷纷开始“技术变革”，高效能电机驱动技术逐渐翻新传统的各种驱动应用。

      高效能电机驱动系统搭载高性能驱动器，取代了低效率且低效能的传统电机，包括许多内燃驱动产品也纷纷电动化，采用电机驱动形式。在电机驱动系统性能优化上，除了电机本身特性外，驱动器对于整体系统优劣具有决定性的影响，MCU作为驱动器的控制核心，成了高性能驱动器设计的关键。

      雅特力科技AT32工业级MCU使用高性能具浮点运算指令的ARM^® Cortex^®-M4F内核，工作频率高达288MHz、512k bytes零等待（Zero wait-state） Flash、3个12-bit 5.33Msps ADC、32-bit分辨率的计数/捕捉定时器、专利芯片代码防护机制，以及超具竞争力的价格优势，特别适用于电机驱控应用，以下将详细介绍AT32 MCU优异的性能特点及在电机控制应用上的优势。

图1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

      一、具浮点运算指令ARM^® Cortex^®-M4F内核

      在电机矢量控制的应用中，需要快速而精确的计算能力，如电压/电流矢量的坐标转换、位置\速度\电流控制，以及在sensorless控制时的转子磁极位置估测等等。AT32 MCU Cortex-M4F核心浮点运算可轻易实现这些算法，并具备高速运算与提高运算精度的能力。

      二、288MHz高速主频

      天下武功，唯快不破。AT32 MCU工作主频高达288MHz，领先业界其它同级MCU，搭配Cortex-M4F核心运算，具有快速高效的算法能力。特别是在伺服控制应用中，需要高频取样率的快速电流/速度/位置等控制回路计算，AT32 MCU都能轻松胜任游刃有余，并可保留MCU执行余裕提供其它辅助功能程序运作，例如通讯功能等等。

      高速时钟频率同时也让脉波宽度调变PWM体现出高分辨率的优势，由于驱动器藉由脉波宽度调变输出脉波电压，以改变电机电流，故PWM分辨率决定了控制电机电压振幅的能力，而PWM频率越高则可提高电压相位的控制解析，并减少电机电流涟波，图2的示意图说明了PWM信号的分辨率和频率对电流的影响。但在相同频率下，PWM分辨率越高则PWM频率越低，因为两者的乘积是对比于系统频率，故高时钟频率可同时兼顾PWM分辨率与频率，特别是在数十万转的电机驱动应用上，因电机转速快电流频率高、电机线圈电感小，需要提供高频、高解析的PWM电压，方能使电机高效稳定运转。

图2 PWM信号产生与切换电流的关系

      三、零等待Flash

      高主频MCU运算速度虽快，但若无高速存储器配合，整体执行效能会受限于Flash指令撷取速度，虽可将关键程序区段搬移至SRAM，但却会减少可运用的SRAM空间，且增加程序复杂度。AT32 MCU内建Flash弹性映射功能，如图3所示，MCU于启动时，自动将映射区域的Flash资料搬移至ZW（zero wait-state）记忆区块，最高可使用达512k byte零等待Flash。藉由Cortex-M4F内核、288MHz高主频与零等待Flash三者的完美配合，发挥MCU极致执行效能。此外针对高性价比的MCU系列，虽未设计零等待Flash，但雅特力科技特别优化其pre-fetch与catch buffer架构与运作机制，以确保在绝大部分执行状况下，等同于零等待Flash的执行效能。

图3 零等待Flash映射区块示意图

      四、高速12-bit ADC

      在电机控制应用中，必须实时感测电机的电流状态，以进行高速电流环控制运算，特别是在单电阻电流取样时，须在极短时间内（<1us）读取电流回授信号以避开噪声，如图4所示，以及在sensorless控制应用，还需要实时感测DC BUS电压或电机端电压，因此需要高速ADC外围支持。此外为精确获取高解析的电流与电压信息，12-bit ADC是兼顾解析与成本的合理选择。AT32 MCU具备取样速率达5.33MHz的12-bit ADC，并拥有24个外部通道设计，足可提供电机控制相关的信号取样需求。

图4 单电阻电流取样示意图

      五、32-bit分辨率的计数/捕捉定时器

      在伺服控制器应用中，为了满足宽广的高低速控制比例，以及精确的速度与定位控制，使用20-bit以上高解析编码器是很常见的，因此MCU需要具有编码器信号4倍频功能的32-bit定时器。此外在使用霍尔元件感测转子位置的低成本应用上，在顾及低速的运转条件下，受限于16-bit捕捉定时器的计数范围，必须将定时器计时的频率适当除频，但如此一来便牺牲了电机高速时的速度分辨率。有鉴于此，AT32 MCU设计了两组32-bit分辨率的计数/捕捉定时器，可满足高阶伺服控制器与低成本驱动器的应用需求。

      六、三组高级定时器

      用于输出三相互补PWM信号的高级定时器，是MCU在电机控制应用中不可或缺的单元。AT32 MCU设计了三组16-bit分辨率的高级定时器，搭配MCU的快速运算能力与ADC快速取样，可轻松实现三轴电机控制系统。

      七、通讯外围支援

      由于电机驱动广泛应用于各种专业与生活领域，为满足不同产品的通讯需求，其通讯界面也十分多样。AT32 MCU内建多组UART、CAN、I2C、SPI与USB界面，可满足大部分的产品通讯需求。其中AT32WB415系列更有采用低功耗（BLE）蓝牙5.0，集成蓝牙射频（RF）收发器与基带（baseband）功能所组成的无线通讯型MCU，为各种物联网应用提供最佳方案。

      八、弹性DMA通道映射

      电机驱动器所使用的MCU外围众多，又常需要进行实时处理，运用DMA通道进行特定位置资料的实时更新是常用的办法，然而因MCU外围使用较多，无可避免会遇到DMA通道冲突的窘境，因此AT32 MCU设计了DMA通道弹性映射功能，让DMA的通道配置更加灵活，可以将某外围的DMA请求通道指定到三个DMA控制器共22个通道中的任意一个通道，大大提升了应用弹性与便利性。

      九、专利芯片代码防护机制

      AT32 MCU具有多重的芯片安全防护措施，包含绝对性的读保护（RDP）、随机数Flash烧录，以及雅特力自行研发的sLib（security library）功能，可指定范围以密码保护特定程序区，例如上游方案商将核心算法保护后，可提供给下游客户做二次程序开发。对于外部扩展SPI NOR Flash通过MCU烧录此外扩Flash时，该区段程序与资料会被芯片内部硬件打乱数值加密，对MCU代码做了全面性防护。

      除了MCU性能与功能的考量外，价格也是MCU选型重要因素之一，AT32 MCU具有极强的价格竞争力，全系列采用Cortex^®-M4和M0+内核，其中部分M4内核产品价格可媲美M0+ MCU，为客户设计出高性价比且优质的电机驱动产品提供了可能性。