薩科微 MOSFET 與兆易創(chuàng)新MCU設(shè)計(jì)方案的配合案例(2)

發(fā)布時(shí)間：2022-03-03作者來源：薩科微瀏覽：2515

基于GD32E230/F303系列MCU的無感微型電機(jī)方案設(shè)計(jì)

牙科手機(jī)又叫做口腔手機(jī)，是一種專用于口腔科的醫(yī)療器械，自問世以來，以其非同尋常的轉(zhuǎn)動(dòng)速度受到病人和操作者的歡迎，迅速取代了電動(dòng)手機(jī)，成為當(dāng)今牙科工作中不可或缺的工具

本方案，采用兆易創(chuàng)新GD32E230/F303系列MCU作為主控，具有快速、穩(wěn)定、噪音小、成本低等特點(diǎn)，可用于口腔科夾持高速牙科車針進(jìn)行鉆、磨牙、洗牙及美容護(hù)理等。

電機(jī)方案電氣參數(shù)

· 轉(zhuǎn)速≥300000rpm，[敏感詞]轉(zhuǎn)矩范圍0.075-0.15N.cm

· 正反轉(zhuǎn)/調(diào)速控制/轉(zhuǎn)速顯示

· 多路氣閥控制

· 噪音<70dB

1、GD32E230無感方波控制低成本方案

方案特點(diǎn)

采用Arm Cortex-M23內(nèi)核的GD32E230超值型MCU作為主控，在無感方波控制中，主要是利用反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的方式來得到換相信號(hào)(反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的信號(hào)與電機(jī)的換相信號(hào)在相位上相差30°電角度)。為了得到反電動(dòng)勢過零的信號(hào)，采用硬件比較器法將檢測得到的端電壓的值與電機(jī)中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較來得到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的信號(hào)。

本方案具有電路簡單、成本低等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在洗牙設(shè)備、牙齒護(hù)理等場合。

方案電路板

GD32E230系列MCU主要規(guī)格

· Cortex-M23@72MHz，55DMIPS的處理性能

· Flash: 64KB/32KB/16KB

· SRAM : 8KB/6KB/4KB

· 高速高精度ADC,12Bits ADCx1@2.6Msps,10通道

· 高級(jí)定時(shí)器x1,可產(chǎn)生6路死區(qū)可調(diào)的互補(bǔ)PWM輸出

· 通用定時(shí)器x5

· Flash帶硬件加密保護(hù)

· 多種串行通訊方式：I2Cx2, SPIx2, UARTx2;

· 豐富的封裝類型: TSSOP20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP32/LQFP48

· 供電電壓:1.8V~3.6V

· 單周期硬件乘法器、硬件除法器、硬件分頻器、嵌套向量中斷控制器(NVIC)等獨(dú)立資源

· 工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍：-40℃~105 ℃

· 工業(yè)級(jí)的ESD特性:6000 Volt

2、GD32F303無感FOC控制高性能方案

方案特點(diǎn)

無感FOC控制，主要是利用電機(jī)數(shù)學(xué)模型以及一些自動(dòng)控制原理上的知識(shí)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。在無感FOC的控制中，通常需要使用相應(yīng)的觀測器來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的間接得到，為了獲得更好的動(dòng)靜態(tài)特性、系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度以及穩(wěn)定性能。本方案采用了基于Arm Cortex-M4內(nèi)核的GD32F303主流型MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，GD32F303片內(nèi)自帶浮點(diǎn)運(yùn)算功能，通過浮點(diǎn)運(yùn)算更好的把控PID的比例參數(shù)設(shè)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

控制方法采用滑膜環(huán)觀測器法(具體公式及原理請參考無刷直流電機(jī)控制應(yīng)用資料)。利用自動(dòng)控制原理中的滑膜變結(jié)構(gòu)的控制原理來實(shí)現(xiàn)的。滑膜變結(jié)構(gòu)實(shí)際上是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制策略，特點(diǎn)在于其控制的不連續(xù)性，在一定特性下迫使系統(tǒng)在規(guī)定的超平面上下做小幅度、高頻率的運(yùn)動(dòng)，也就是我們常常講到的“滑動(dòng)模態(tài)”或“滑模”運(yùn)動(dòng)。此滑動(dòng)模態(tài)與系統(tǒng)的參數(shù)和擾動(dòng)無關(guān)，且可以設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)有很好的魯棒性。

方案技術(shù)亮點(diǎn)

無刷無感直流電機(jī)啟動(dòng)是很關(guān)鍵的一步，為了達(dá)到啟動(dòng)快速穩(wěn)定噪音小等特性，本方案采用的了I/F啟動(dòng)方法。I/F啟動(dòng)方式的核心是在電樞繞組中產(chǎn)生幅值跟隨參考值、頻率逐漸增大的旋轉(zhuǎn)電流矢量，使轉(zhuǎn)子加速起動(dòng)。它的特點(diǎn)是工作在速度開環(huán)、電流閉環(huán)的狀態(tài)，定子繞組電流經(jīng)過坐標(biāo)變換以后，投影到由指令位置角決定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，并受期望值的約束，可有效避免過流產(chǎn)生。其控制框圖如下圖所示。