高性能MCU在变频电机控制中的实战方案解析

发布时间：2024-09-2 阅读量：2447 来源: 我爱方案网作者: bebop

摘要：电机控制方案重点在于高速实时的控制，高性能MCU具备高性能运算与实时采样效率特性，赋予了电机高效工作能力，提升了电机向量控制精确度，而在三相交流电机磁场导向控制（field-oriented control，简称FOC）的算法应用中，电机电流为不可或缺的物理量反馈信息。

另外，为满足精简电路、缩小面积与降低系统成本需求，单电阻电流采样技术的应用日益普及，仅需一个电流感测电阻和一个放大电路，无需额外校正，同时实现过流保护。高性能 MCU通过内置的高速高性能ADC搭配对应的电流采样电路，可进行单电阻电流采样，提高采样精确率，带来事半功倍的效果，应用于电动两轮车、滑板车、吹风机、吸尘器、吊扇、空调风机/压缩机等电机电流为数十安培以下的设备，充分满足各种应用领域对于电机精准控制需求。

以下分享一些采用高性能MCU的电机控制应用量产案例及其技术实现方式，以作参考。

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1.高速电机方案

方案可选用HC32M140、HC32M120、HC32F460作为主控，采用无感FOC控制系统，支持单电阻、双电阻采样，可工作在恒转速、恒功率、恒扭矩等模式下。系统最高转速可达12万转（当使用HC32F460时更可高达15万转），适用于高速吹风机、高速吸尘器等产品。

方案特点

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。

2.电动工具方案

方案以HC32M140为主控芯片，基于无传感器六步换相控制算法，实现BLDC电机大扭矩启动和高速运行，保护功能齐全，适用于电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤等低压中小功率电动工具应用场景。

方案特点

48MHz主频、8KB RAM/128KB Flash内存资源、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER

基础功能：反电动势过零检测算法（支持ADC和比较器）、电流/电压采样

复杂工况：静止堵转启动、低速大扭矩运行、顺逆风启动、刹车功能

系统保护：过流保护、过压/欠压保护、长时间堵转保护

支持多种转速设定信号（PWM、ADC等）

3.高速吹风筒方案

方案简介：

高速吹风筒方案采用小华超低功耗HC32M120主控MCU，内置先进的无位置传感器FOC控制策略，实现连续平稳的风机调速系统，具备顺风、逆风、静止状态下无抖动即时启动功能，30cm距离测量运行噪音75db以下，为行业中上水平;启动稳定性好，一次启动成功率可达99.7%以上；运行效率高，220V机种，10.5万RPM最高风速档位运行，PCBA级实测输入功率92W，优于市场主流方案。

方案特点：

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

芯片资料：

方案采用小华HC32M120主控MCU，M0+ 内核，32bit, 48MHz可确保FOC算法运行，芯片内部集成了电机控制功能：最大12通道的12bit 1MSPS ADC，8个多功能16bit Timer(TimerB)支持输入捕捉、输出比较、PWM输出，1个16bit Timer(Timer0)支持异步计数以及电机算法加速引擎等功能，具备转速精度控制高，电机震动噪声小等优势。

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。

4.电动自行车

方案简介：电动自行车电驱控制板方案以HC32M120为主控芯片，同MOS、Gate_Drivers、LDO及其他外围电路构成。主要功能：EBS、能量回馈、HDC、霍尔修复、相序自识别、一线通、三速、GB_25KM、1:1电动助力等。

方案特点：

48MHz主频、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER、温度范围：-40℃~105℃

丰富的基础函数库、SVPWM系统、电机专用控制库模块

FOC控制系统优势（正弦电流、转矩平稳、低噪音）

平地/坡道/溜坡/滑行/带载启动优势（启动转矩大、重载启动高可靠）

客制化控制流程优势（丰富的模块化电机库）

完善的系统保护功能（过流、过压、欠压、堵转、飞车、短路等保护）

5.洗衣机变频控制方案

方案以HC32F460为主控芯片，单芯片实现洗涤电机与烘干风机的双电机变频控制；采用无感FOC控制算法，运行噪音低，电流谐波小；支持多种采样方式，内置放大器和比较器，节省BOM成本；完善的系统保护功能：过压、欠压、过流、堵转、缺相等；支持异常情况下的紧急停机功能。

方案特点：

1.200MHz 32bit ARM Cortex-M4内核MCU HC32F460

2.支持FPU，大幅度提升算力

3.高效Cache，保证CPU零等待执行性能

4.多功能PWM Timer，支持多个电机控制

5.12位2Msps高精度ADC单元，灵活支持多种采样方式

6.内置PGA、CMP

7.EMB可独立控制每个通道

8.系列丰富，封装从48Pin到100Pin，适应不同设计需求

应用领域：冰箱、空调、洗衣机、变频控制板

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