【白皮书】RA6T2如何攻克新一代电机控制系统开发中的挑战（上）

瑞萨MCU小百科 2023-07-05 12:00

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一

概述

如今，许多电机控制系统都采用将电机控制算法烧写到MCU的方式来实现。但由于需求的多样化，控制算法也变得日益复杂，在使用一个MCU的情况下，不仅需要实现电机控制，还要实现整个系统的通信和控制。这样一来，开发人员必须比以往更多地考虑复杂的实时处理功能（如电机控制）与非实时处理功能（如系统控制）的共存。此外，为了在市场上具有价格竞争力，开发人员还面临着及早上市和降低成本等重大挑战。

本文将为您描述基于RA6T2 MCU的各种解决方案如何解决上述问题。

二

电机控制

电机控制是一项由来已久的技术，大约有200年的历史。根据不同的应用场景，电机分为多种类型，它们已经发展成为支撑人类生活的重要技术。尤其是功能丰富且易于维护的电机，由于其控制比较复杂，通常采用对MCU进行编程的方式来调节转速和转矩。

什么是逆变器？

从本质上来说，逆变器是指将直流电转换为交流电的装置/电路。在家电和工业领域，它一般用于将交流电转换为任何频率或电压。这样做的优势是能源利用效率比采用恒频商用电源的驱动系统更高，因为逆变器可以在较宽的转速范围内工作。

逆变器电路

逆变器电路通过以特定周期反复导通/关断连接直流电源的晶体管来产生交流电压。导通/关断操作由MCU内置的定时器输出来实现。该输出称为PWM（脉宽调制）。电机的工作状态、静音程度和电源效率取决于生成该PWM与切换导通/关断状态的速度有多快、精度有多高。

速度控制工作原理

下图显示了在MCU使用上述逆变器装置控制电机转速时的信号流。其中包含用于控制BLDC电机的MCU的软件模块和外设电路。

通过内置MCU控制电机速度的原理图

MCU将速度/转矩命令转换为参数，确定PI控制单元中的PWM占空比，然后输出脉冲。尽管这种方式需要依赖于控制算法，但利用电机电流、分流电阻电流、霍尔元件和编码器等，仍可将速度和转子位置信息反馈给MCU，并执行循环运算。反复执行该运算可检测并校正实际电机运行相对于命令值的差值。在电机控制系统中，需要在控制周期内完成这一系列处理。因此，电机控制被称为实时应用。此外，通过缩短该控制周期可对电机进行精密控制，从而使电机应用响应快、效率高。

三

新一代电机控制系统开发中的挑战

现在，我们来看一下开发人员在开发新一代电机控制设备时所面临的技术挑战。大致说来，关键点在于首先要满足实现高级控制系统所需的性能，同时构建开发环境以使其及时上市。

满足更高的性能和处理复杂性要求：

如上所述，电机控制本身可以检测命令值与实际电机运行之间的差值并反复进行控制。为了实现快速响应和高效率，必须进一步缩短控制周期，并在该控制周期内完成电机控制计算。但是，由于附加处理功能（用于实现附加功能）与非实时处理功能（如通信和整个系统的控制）共存，因此MCU需要具备强大的处理能力，才能在电机市场上取得成功。

构建电机控制的评估环境：

为了控制各种电机，需要了解每种电机的特性，并开发相应的硬件以对其进行评估。这需要花费大量的工程时间。此外，对于新MCU，还需要移植或从头开始创建软件以实现外设功能（如控制算法和内置于MCU的PWM定时器），这会耗费大量的开发时间。

这些常见的电机控制问题可以使用RA6T2来解决。RA6T2是一款RA产品家族ASSP产品，用于电机控制和电机开发解决方案，其中包含开发工具包、应用笔记和开发工具等。首先，我们来看一下应对第一项挑战的方法。

四

RA6T2专为电机控制而设计

RA6T2是一款可实现新一代电机应用所需的实时控制性能的MCU。瑞萨过去开发了大量用于电机控制的MCU，其中内置的PWM定时器和模拟功能经历了不断的改进，现在已经能够实现更为高级的控制。采用Arm Cortex-M内核的RA产品家族继承了这一优秀基因，并且发展出了面向电机控制的ASSP产品。最先发布的是搭载Arm Cortex-M4的RA6T1。RA6T2是最近推出的产品，也是第二款搭载Arm Cortex-M33内核的产品，其工作频率为240MHz。这些MCU是实时引擎，将32位电机定时器和增强的模拟功能与瑞萨的原始闪存相结合。

RA6T2有两项主要的硬件改进——内置高速闪存和加速器，旨在实现新一代电机控制所需的高实时性能。

高速闪存

通常，当CPU访问慢速存储器时，会使用高速缓存来减少这种开销，因为它会等待访问完成。但是，在电机控制程序中，由于频繁的分支处理和中断，会出现缓存未命中和性能下降的情况。因此，RA6T2内置了瑞萨独有的120MHz零等待访问高速闪存，即使在缓存未命中的情况下也有助于减少损失，并实现较少波动的实时性能。

用于电机控制的加速器

RA6T2配备了两个硬件加速器，即TFU（三角函数单元）和IIRFA（IIR滤波器加速器），用于高速电机控制运算。TFU负责处理sinf、cosf、atan2f和hypotf函数的快速计算，这在矢量控制的dq转换中十分有用。同样，IIRFA可应用于陷波滤波器以抑制机械谐振。由于系数和延迟数据可以保存在本地存储器中，因此可以简单地通过设置输入值来获得计算结果。这些加速器仅支持电机控制的基本要素，这使它们可以轻松应用于各种现有算法。

这两项功能都专门针对实时性能，可以减少性能波动并显著减轻CPU负荷。因此，可以通过缩短控制周期来增添快速响应和高效率控制以及非实时处理能力。

除了可提高实时性能外，RA6T2还具有48引脚、64引脚和100引脚LQFP封装三种选择。这些封装在功能上相互兼容，并且引脚分配可扩展，因此即使采用不同的封装，仍可彼此轻松共享开发资产。这使得开发一个支持多模型开发（白色家电和工业设备）的平台成为可能，并可及早将产品投放市场。此外，还提供48引脚和64引脚QFN封装，可满足电动工具、机器人和无人机等设备的小尺寸需求。