高性能MCU有效应对工业电机控制复杂应用案例

发布时间：2024-03-8 阅读量：1768 来源: 我爱方案网作者: bebop

摘要：高性能MCU的应用范围非常广泛，它们可以用于工业自动化控制系统，实现精确的数据采集和实时控制；高性能MCU相对于传统MCU而言，具有更高的处理速度、更大的存储容量，丰富的接口，专有驱动能力和更强的计算能力。它们通常采用更快的处理器核心，以及更大的内存和存储器，以满足显示屏，电机驱动和传感器互联等更较复杂的应用需求。我爱方案网推荐针对电机控制领域推出的高性能RISC-V架构MCU—HPM6700系列，单芯片实现多伺服电机控制、高精度位置控制，主频 816MHz，广泛应用于工业自动化中的编码器和伺服驱动器实用方案场景。

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工业4.0时代下工业控制市场前景广阔，催涨MCU需求。根据Prismark统计，2019年全球工业控制的市场规模为2310亿美元，预计至2024年全球工业控制的市场规模将达到2600亿美元，年复合增长率约为3%。根据赛迪顾问的数据，2020年中国工业控制市场规模达到2321亿元，同比增长13.1%。2021年市场规模约达到2600亿元。

工控行业MCU产品的市场规模呈现波动上升趋势。截至2020年，工控对MCU产品需求规模达到26亿元，预计至2026年，工业控制MCU市场规模达约35亿元。

高性能MCU是工控领域的核心部件，在众多工业领域均得到应用，市场规模逐年上涨，随着中国制造2025的稳步推进，MCU规模持续提升，带来更大的市场增量。

高性能MCU是实现工业自动化的核心部件，如步进马达、机器手臂、仪器仪表、工业电机等。以工控的主要应用场景——工业机器人为例，为了实现工业机器人所需的复杂运动，需要对电机的位置、方向、速度和扭矩进行高精度控制，而MCU则可以执行电机控制所需的复杂、高速运算。

先楫HPM6700实际应用案例介绍：

电机驱动方案

在工业领域，电机驱动是整个自动化的基础应用，如用于CNC机床、机器人的伺服驱动器，用于新能源汽车的主驱和压缩机驱动等。由于这些行业本身的发展和需求增加，对微控制器(MCU)提出了更高的要求，如高算力、高实时性、高速高精度ADC、Ʃ-Δ滤波、单芯片多轴控制等。

使用先楫超高性能的HPM6750芯片可实现HMI与四轴伺服运动控制，无需总线通信反馈与交互控制，片内完成所有数据采集、处理和显示，对伺服控制和四电机的同步控制效率大大提高。

芯片优势：

816MHz 主频控制器，性能强悍

多伺服电机控制，高精度位置控制

集传感器数据采集、显示、交互、多电机控制于一体

相比模块化的伺服控制系统，方案性能和效率大大提高

具备4组电机控制模块，能输出32路PWM输出、接4个编码器，可以完成单芯片驱动4个电机

应用场景：

工业机器人、SCARA机器人、机床加工、伺服方案等场景。

工业机械臂方案

伺服电机的运动控制需要准确的位置反馈信息。随着高精度位置传感器技术的发展，如光电编码器、磁性编码器等，能够实时获取伺服电机的位置信息，并通过反馈控制算法进行精确的位置调整。这些技术的创新使得伺服电机的定位精度进一步提升，满足了机械臂在高精度操作中的需求。

先楫HPM6280芯片具备出色响应速度快、定位精度高等特点，能够实现高速、高精度的运动控制。HPM6280高性能MCU目前已应用于电动平行夹爪方案，方案内置FOC算法+H桥驱动芯片，以50K电流环频率实现4轴步进电机开环控制，步进电机速度>1200RPM，在工业机械臂场景，HPM628 MCU能够迅速准确地完成各种复杂任务，提高工作效率和生产质量。

方案优势：

高性能MCU，高达600MHz主频。

控制<100PS，高精度PWM，有效优化GaN驱动音圈电机动态特性

RISC-V架构自研芯片，可满足国产自主可控要求，供应链稳定，超高性价比。

高算力，大 SRAM，大 Flash，多路CAN FD，16bitADC(24路)

应用场景：

搬运机械臂、装配机械臂、焊接机械臂等场景。

电力配网DTU

电网自动化系统一般由以下部分组成：配电主站、配电子站（常设在变电站内，可选配）、配电远方终端（FTU、DTU等）和通信网络。配电主站位于城市调度中心，配电子站部署于110kV/35kV变电站，子站负责与所辖区域DTU/FTU等电力终端设备通信，主站负责与各个子站之间通信。

我爱方案网FAE/PM考虑到系统的秒级响应要求、电网对自主可控的要求等因素，选用了先楫半导体的高性能MCU HPM6750IVM设计了一款DTU/FTU最小系统核心板，MCU为BGA289封装，多达195个GPIO；2M的SRAM，灵活可选容量的外挂FLASH；内部DSP单元，支持SIMD和DSP指令；RISC-V双内核完全自主可控，主频816M，创下了高达9220CoreMark和高达4651DMIPS的MCU性能记录。芯片工作温度在-40℃~105℃，满足电力行业苛刻工作环境。

方案优势：

双千兆以太网：根据标准要求，扩展了一路SPI转以太网接口

双USB接口：支持扩展网口与外挂4G

17路串口：满足串口通信需求

4路高速SPI：支持外挂加密芯片、ADC芯片、SPI转以太网芯片

4路IIC：支持外挂实时时钟、温湿度传感器等

1个16bit ADC和3个12bit ADC：支持模拟量的采集

应用场景：

新能源、电力配网DTU、配电柜、电池化成分容下位机等场景。

磁编码器方案

主控芯片：先楫HPM5300系列

方案特点：

分辨率：17b
支持最高转速：6000RPM
支持增益偏差校正
支持温漂补偿
支持掉电多圈保存
支持Offset校正

先楫优势：

高算力：480MHz
2 X 16b ADC
输出协议丰富
片内可编程运放，支持差分输入
低功耗：1.5uA
小封装：QFN 48

应用场景：伺服驱动器、机器人等

旋变硬/软解码方案

主控芯片：先楫HPM5300和和HPM6000系列

方案特点：

硬解码：RDC硬件支持快速的旋变解码
软解码：成熟方案，使用HPM5000~6000
16b ADC带来更好的解码性能
高算力、高主频带来解码低延时
丰富的编码器接口和协议，可以统一编码器平台，如磁编、光编和旋变等

先楫优势：HPM5300系列可结合QEO和SEI，可以支持多种方式输出，如Tamagawa、EnData、正交脉冲等。

应用场景：

工况或环境恶劣的电机驱动，如

新能源车：电机驱动
CNC机床、磨床等

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