高效的电机控制的
软硬件解决方案
随着工业自动化、车辆电动化和智能家居等领域的快速发展，高效的电机控制技术正成为现代工程中不可或缺的一部分。电机作为能量转化和动力驱动的核心设备，其效率、可靠性和智能化程度直接影响整体系统的性能表现。因此，设计一套结合软硬件的高效电机控制解决方案，不仅能降低能耗，还能实现精准控制，满足多样化应用需求。本文将介绍电机控制技术的发展趋势，以及NXP（恩智浦）与艾睿电子在电机控制技术上的优势与解决方案。
电机控制的发展趋势与所面临的挑战
工业和物联网应用中经常需要电机驱动，其中对于节能的需求，驱动着电器能源等级与热泵的成长，并对低功耗系统的需求增加，因此需要超低压驱动器，以及以电池为基础的系统，以满足永续发展的趋势。此外，对于高效驱动电机的要求也增加，因此需要各种新兴的电机类型，以及高效的控制算法，在同步控制方面，因为工业网络与多轴运动控制的需求增加，将带动对驱动效率的追求。另一方面，随着对安全与安保需求的增加，系统更加重视功能安全与网络安全，并追求稳健性，需要进行预测性维护与达到工业合规，以提升系统的稳定性。
不过，电机控制也面临着众多的市场挑战，像是市场分散、用例众多，以及家电市场对降低BOM或设计成本的要求增加，另外像是对工业功能安全要求、电机控制客户的不同专业水平，还有众多与众不同的电机控制工具和软件的出现，以及包括功率级的系统级解决方案，也是电机控制应用所面临的挑战。
电机控制的种类很多样，涵盖有刷直流、步进、无刷直流（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）与交流感应电机（ACIM）等技术，覆盖各个垂直市场，其中推动主要成长市场的大趋势包括对能源效率的追求，需要采用热泵、超低压电机驱动，以及自动化的趋势，带动对伺服驱动器、移动机器人、电动工具的需求。此外，还有关键成长市场推动技术的差异化，包括跨越多种垂直市场的类似电机控制技术，将朝向低速高扭矩、可变负载等发展，目前在成长市场的主要趋势决定了重点的电机类型，则是朝向BLDC和PMSM发展。
硬件结合软件的全面性
电机控制解决方案
NXP的电机控制产品采用硬件结合软件的“组合拳”，产品线从可支持低至48MHz的入门级和主流MCX产品组合，以及高达1GHz的跨界MCU ── i.MX RT，以及可用于电机控制结合运动控制的i.MX应用处理器，内建Cortex-A + Cortex-M内核，其中的电机控制子系统包含有硬件同步的高速ADC、电机控制PWM、运算放大器／可编程增益放大器（PGA）与编码器接口，可通过电机控制子系统进行可扩展处理，以简化电机控制开发体验。
相较于竞争对手，NXP拥有差异化优势，像是i.MX RT跨界MCU运作频率高达1 GHz，可进行高动态电机控制，i.MX 94 MPU则具有可用于运动结合电机控制的实时内核，可执行超高效处理。此外，NXP还有具一致性的电机控制子系统，具有专为电机控制而设计的NXP IP，并可跨MCU和MPU产品组合进行扩展。
NXP的电机控制解决方案可优化应用成本，内置片上PGA与位置解码器，i.MX RT跨界MCU还拥有最高的DMIP/美元，并可提供面向用例的集成能力，像是用于连接工厂伺服驱动器的千兆工业网络，以及用于电机预测性维护和异常检测的eIQ® AI/ML功能，并可通过电机辨识和调整进行快速原型设计，搭配易于启动的SDK范例，可协助产品快速上市。
NXP可提供分层式的解决方案产品，在概念验证方面，可协助客户展示一个概念或想法，确认有限硬件的可用性、基本测试与固件，客户可获得启动项目的固件／原理图示例，并增加对设备兼容性的信心。
在参考设计方面，NXP可提供涵盖特定客户用例的优化参考解决方案，具有通过所有渠道提供的硬件、监管认证，并提供培训和支持，协助进行软件测试和维护，客户可获得开发项目的硬件／原理图示例，提高实施和测试信心，以及完整的软件／固件示例，并可加快产品上市。
NXP的FRDM开发平台可提供低成本可扩展板，是可轻松构建的可扩展解决方案，可通过所有渠道和不同合作伙伴提供硬件，提供培训和支持，以及提供参考软件，客户可针对不同用例进行轻松扩展，产品可快速上市，具有广阔的市场支持，并提供多个示例。
电机控制应用所需的
高性能处理器与开发工具
NXP的i.MX RT-1180是高端跨界MCU，具有高性能的Arm® Cortex® -M7内核，工作频率高达800 MHz，以及节能的Cortex® -M33内核，频率高达240 MHz。i.MX RT-1180具有工业网关功能，支持工业实时协议（Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP等），以及通过最先进的以太网交换机子系统和带ECC保护的1.5 MB片上RAM，来实现的最新千兆时间敏感网络（Time Sensitive Networking, TSN）协议。i.MX RT-1180还集成了先进的电源管理模块，包括DC DC和LDO调节器，可以降低外部电源的复杂性，简化电源时序，同时还有一个大型子系统，可以支持多种应用，包括存储接口、连接接口（CAN-FD、LPUART、LPSPI、LPI2C、FlexIO等）。
NXP的i.MX RT-1180是一款带有一个TSN交换机和EdgeLock®安全功能的跨界双核实时微控制器（MCU），采用Arm® Cortex®-M7和Arm® Cortex®M33内核，实现高性能和实时控制功能。i.MX RT1180集成了TSN交换机和EtherCAT从机控制器，非常适合工业和汽车通信应用。
i.MX RT-1180 CM7的运行频率高达800MHz，CM33的运行频率高达240MHz，片上RAM为1.5MB。该系列支持多种协议，实现了实时以太网和工业4.0系统之间的通信桥接。i.MX RT-1180还提供先进的信息安全，集成了NXP的EdgeLock®安全区域。i.MX RT1180系列由MCUXpresso开发者体验支持，其中包括SDK、IDE选项、安全编程和配置，以及设置工具，可实现快速开发。
NXP可协助电机控制开发者一系列的流程，首先进行系统设置，再来执行电机建模，可通过FreeMASTER电机控制应用程序来调整（MCAT），第三步则进行电机调整，可通过FreeMASTER使用MCAT进行运行时调试，接着可通过MCUXpresso SDK的电机控制代码示例进行软件交付，直到最终产品的推出。
FreeMASTER是一款用于应用程序开发和信息管理的实时调试监控和数据可视化工具，包括示波器、实时存储和仪表板控制，具有易于使用但高度可扩展特性，可进行基本控制和可视化无需更改代码，中间件可支持更强大的实现能力，可完全支持HTML/Javascript中的自定义仪表板、脚本，以及与其他应用程序的数据交换，并支持多种接口选项，包括UART、CAN、BDM/PD-BDM和SWD或自定义，可以在任何具有可用串行接口的平台上运行，FreeMASTER Lite则可支持非Windows平台上的远程控制仪表板。
MCAT则是FreeMASTER的插件工具，与FreeMASTER相结合，可以实时监控、调整和更新电机控制应用中的控制参数。MCAT能够根据目标电机／应用调整控制参数，控制参数的动态调整和更新，并生成具有调整参数静态配置的头文件，可独立于MCU，并与算术无关（16位/32位、Fix/Flt）。
智能的TSN/EtherCAT
电机控制开发工具包
为加速客户的产品开发速度，由艾睿电子开发的SEED-RT118X开发套件，是一款可用于智能TSN/EtherCAT电机控制的开发工具套件。搭配的i.MX RT1180跨界MCU集成先进的EdgeLock安全区域，基于800 MHz Cortex-M7和240 MHz Cortex-M33双核架构，可实现设计灵活性。该系列包括TSN交换机，支持实时丰富的网络集成，可处理时间敏感和工业实时通信。i.MX RT1180支持多种协议，桥接实时以太网和工业4.0系统之间的通信。SEED-RT118X集成了以太网、EtherCAT、CAN、USB、SD功能，以及四个连接器，可独立支持额外的电机控制板。
SEED-RT118X Ethernet板卡共有5个以太网口，其中ETH0和ETH4是百兆网口，其他三个均为千兆网口。ETH0 - ETH3这四个网口连接至RT 118X内部一个4口的TSN交换机上。ETH4连接至RT 118X内部一个TSN GMAC上。SEED-RT118X EtherCAT板卡的以太网口ETH0和ETH4可以配置为EtherCAT接口ECAT0和ECAT1，同时可以通过修改板卡电阻来选择PHY接口是RMII还是MII。EtherCAT具有通信速度快、同步性能好、拓扑结构灵活、实时性高、高可靠性和稳定性等特性。
SEED-RT118X电机控制接口板卡还预留了四路引脚定义相同的电机控制接口，搭配特定驱动板，这款基于NXP i.MX RT1189的应用解决方案，可用于24V-48V直流伺服电机、BLDC、步进电机控制。
SEED-RT118X TSN可执行GPTP时钟同步，测试RT118X GPTP时钟同步参数，SEED-RT118X TSN数据收发，可发送包含时间戳的数据，测试RT118X网络栈处理延迟与转发延迟。SEED-RT118X TSN交换机可配置RT118X TSN交换机的VLAN、转发表、流量调度功能。经过测试，SEED-RT118X GPTP时钟同步参数的最大误差为±39.98ns，平均误差为2.556ns，SEED-RT118X网络栈处理延迟与转发延迟之和约为36µs。
结语
高效的电机控制不仅是技术创新的方向，更是推动节能减排和智能化应用的关键。通过软硬件的协同设计，工程师能够实现更高效、更可靠的电机运行，满足各行业日益增长的性能需求。同时，随着控制算法、处理器性能，以及开发工具的不断进步，设计高效电机控制系统的门坎逐渐降低，为更多应用场景带来了创新机会。本文所介绍的NXP与艾睿电子的电机控制解决方案，将在全球技术竞争和可持续发展中发挥不可替代的作用，助力创造更美好的科技生活。
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