一种双核结构的电机控制MCU芯片的设计方法及电路与流程

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种双核结构的电机控制mcu芯片的设计方法及电路。

背景技术：

常规的电机控制是基于mcu或dsp的，其中的电机控制算法采用纯软件的方式实现；然而由于电机控制算法的复杂性，其编程和调试往往会成为电机控制应用开发的主要任务，这不仅对开发人员提出了较高的技术要求，而且会占用较多的开发时间。

目前来说，纯软件方式的电机控制方法不仅意味着后续较高的软件维护成本，而且其代码的可靠性往往依赖于编程人员和测试人员的个人经验和专业性，不是很容易控制；而且，这种常规的电机控制，还需要外接预驱动电路、电流采样电路以及功率放大电路等，导致整体方案的外围元件较多，成本较高，开发难度较大。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种双核结构的电机控制mcu芯片的设计方法，其集成cpu内核和电机控制引擎内核，cpu内核处理常规事务，电机控制引擎内核处理电机运算控制事务，双核协同工作实现各种高性能电机控制，而且通过电机控制引擎内核将复杂的电机控制算法硬件化，提高了运算速度和电机控制的实时性，电机控制引擎用作硬件协处理器，自动完成电机的运算控制；还提供一种双核结构的电机控制mcu芯片的设计电路，

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种双核结构的电机控制mcu芯片的设计方法，其中，在mcu芯片上集成了用于参数配置和常规事务处理的cpu内核和用于处理电机运算控制事务的电机控制引擎内核。

作为本发明的一种改进，所述cpu内核采用8051处理器内核。

作为本发明的进一步改进，在mcu芯片上内置有通过系统总线与8051处理器、电机控制引擎连接的功能外设模块。

作为本发明的更进一步改进，所述功能外设模块包括：

存储器，用于读写存储；

看门狗，用于保障mcu芯片运行；

数字通信接口模块，用于和外部的数字设备进行通信；

通用输入输出模块，用于信号的输入和输出。

作为本发明的更进一步改进，所述功能外设模块还包括：

定时器，用于mcu芯片运行的计时和定时；

模数转换模块，用于接收外部的模拟检测信号且输出信号至所述cpu内核或电机控制引擎。

作为本发明的更进一步改进，所述功能外设模块还包括：

预驱动电路，用于接收所述电机控制引擎输出的三路比较值且输出三组pwm控制信号从而驱动电机的uvw三相；

复位电路，用于给mcu芯片提供复位信号；

时钟电路，用于给mcu芯片提供计数时钟和工作时钟；

调试电路，用于mcu芯片的调试。

一种双核结构的电机控制mcu芯片的设计电路，其中，包括集成了用于参数配置和常规事务处理的cpu和用于处理电机运算控制事务的电机控制引擎的mcu芯片。

作为本发明的一种改进，所述cpu采用8051处理器。

作为本发明的进一步改进，所述mcu芯片内置有通过系统总线与8051处理器、电机控制引擎连接的功能外设模块。

作为本发明的更进一步改进，所述功能外设模块包括：

存储器，用于读写存储；

看门狗，用于保障mcu芯片运行；

数字通信接口模块，用于和外部的数字设备进行通信；

通用输入输出模块，用于信号的输入和输出；

定时器，用于mcu芯片运行的计时和定时；

模数转换模块，用于接收外部的模拟检测信号且输出信号至所述cpu内核或电机控制引擎；

预驱动电路，用于接收所述电机控制引擎输出的三路比较值且输出三组pwm控制信号从而驱动电机的uvw三相；

复位电路，用于给mcu芯片提供复位信号；

时钟电路，用于给mcu芯片提供计数时钟和工作时钟；

调试电路，用于mcu芯片的调试。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明集成cpu内核和电机控制引擎内核，cpu内核处理常规事务，电机控制引擎内核处理电机运算控制事务，双核协同工作实现各种高性能电机控制，而且通过电机控制引擎内核将复杂的电机控制算法硬件化，提高了运算速度和电机控制的实时性，电机控制引擎用作硬件协处理器，自动完成电机的运算控制，电机应用开发人员无需编写专门的电机控制算法程序，只需配置控制参数，就可实现各种高性能电机控制。

附图说明

图1为本发明的mcu芯片的结构框图；

图2为本发明的预驱动电路的结构框图；

图3为本发明的foc模块的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1至图3，本发明的一种双核结构的电机控制mcu芯片的设计方法：在mcu芯片上集成了用于参数配置和常规事务处理的cpu内核和用于处理电机运算控制事务的电机控制引擎内核；cpu内核采用8051处理器内核。

在本发明内，mcu芯片集成8051处理器内核和电机控制引擎内核，还内置一些必要的功能外设模块；8051内核处理常规事务，电机控制引擎内核处理电机运算控制事务，双核协同工作实现各种高性能电机控制，同时提供方波、spwm/svpwm、foc等多种驱动模式；电机应用开发人员无需编写专门的电机控制算法程序，只需配置控制参数，就可实现各种高性能电机控制。

在本发明内，在mcu芯片上内置有通过系统总线与8051处理器、电机控制引擎连接的功能外设模块。

在本发明内，8051处理器是一个高性能的8位risc处理器，其主频设计为32mhz，支持18路中断源，通过ahb系统总线与mcu芯片内的各个功能外设模块相连接。

在本发明内，功能外设模块包括：

存储器，用于读写存储，其包括64kb的flash和8kb的sram，设计灵活的读写保护模式，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

看门狗，用于保障mcu芯片运行，其为一个看门狗定时器，通过ahb系统总线与8051处理器相连接，用以提高系统运行的可靠性；

数字通信接口模块，用于和外部的数字设备进行通信，其包括1路i2c接口、1路spi接口和1路uart接口，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

通用输入输出模块，用于信号的输入和输出，其包括4组(共计18个)gpio，均可以隐射到中断向量，均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

定时器，用于mcu芯片运行的计时和定时，其包括1个bldc专用定时器、1个高级定时器、4个带捕获输入/比较输出功能的通用定时器和1个rtc定时器，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

模数转换模块，用于接收外部的模拟检测信号且输出信号至所述cpu内核或电机控制引擎，其为一个8通道12位的模数转换器，采样转换率高达1msps，接收外部的模拟检测信号，输出可直接连接电机控制引擎，它还通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

预驱动电路，用于接收所述电机控制引擎输出的三路比较值且输出三组pwm控制信号从而驱动电机的uvw三相，如图2所示，其为一个6n结构的predriver，它接收电机控制引擎输出的三路比较值，输出三组pwm控制信号，用以驱动电机的uvw三相；

复位电路，用于给mcu芯片提供复位信号，其包括1个por上电复位电路和1个lvd低压检测电路，为系统提供复位信号；

时钟电路，用于给mcu芯片提供计数时钟和工作时钟，其包括1个32mhz高速rc振荡器和1个32khz低速rc振荡器。高速rc振荡器为系统提供一个稳定的32mhz的工作时钟，低速rc振荡器为rtc应用提供一个32768hz的计数时钟；

调试电路，用于mcu芯片的调试，其支持jtag和swd调试接口，同时还支持icp、isp和iap下载。

在本发明内还提供一种双核结构的电机控制mcu芯片的设计电路，包括集成了用于参数配置和常规事务处理的cpu和用于处理电机运算控制事务的电机控制引擎的mcu芯片，cpu采用8051处理器。

在本发明内，mcu芯片内置有通过系统总线与8051处理器、电机控制引擎连接的功能外设模块。

该功能外设模块包括：

存储器，用于读写存储，其包括64kb的flash和8kb的sram，设计灵活的读写保护模式，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

看门狗，用于保障mcu芯片运行，其为一个看门狗定时器，通过ahb系统总线与8051处理器相连接，用以提高系统运行的可靠性；

数字通信接口模块，用于和外部的数字设备进行通信，其包括1路i2c接口、1路spi接口和1路uart接口，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

通用输入输出模块，用于信号的输入和输出，其包括4组(共计18个)gpio，均可以隐射到中断向量，均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

定时器，用于mcu芯片运行的计时和定时，其包括1个bldc专用定时器、1个高级定时器、4个带捕获输入/比较输出功能的通用定时器和1个rtc定时器，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

模数转换模块，用于接收外部的模拟检测信号且输出信号至所述cpu内核或电机控制引擎，其为一个8通道12位的模数转换器，采样转换率高达1msps，接收外部的模拟检测信号，输出可直接连接电机控制引擎，它还通过ahb系统总线与8051处理器相连接；

预驱动电路，用于接收所述电机控制引擎输出的三路比较值且输出三组pwm控制信号从而驱动电机的uvw三相，如图2所示，其为一个6n结构的predriver，它接收电机控制引擎输出的三路比较值，输出三组pwm控制信号，用以驱动电机的uvw三相；

复位电路，用于给mcu芯片提供复位信号，其包括1个por上电复位电路和1个lvd低压检测电路，为系统提供复位信号；

时钟电路，用于给mcu芯片提供计数时钟和工作时钟，其包括1个32mhz高速rc振荡器和1个32khz低速rc振荡器。高速rc振荡器为系统提供一个稳定的32mhz的工作时钟，低速rc振荡器为rtc应用提供一个32768hz的计数时钟；

调试电路，用于mcu芯片的调试，其支持jtag和swd调试接口，同时还支持icp、isp和iap下载。

如图1所示，其它功能外设模块包括1个crc校验电路、1个vref参考电路、1个vhalf参考电路、3个独立运算放大器、4个模拟比较器以及1个ldo5和1个ldo18电源模块，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接。

在本发明内，电机控制引擎主要由乘除法器mdu、比例积分器pi、低通滤波器lpf以及foc模块组成，它们均通过ahb系统总线与8051处理器相连接。

其中，乘除法器mdu是一个计算协处理单元，包含1个单周期执行时间的16位*16位乘法器和1个16周期执行时间的32位/16位除法器，它除了提供乘除法运算外，还提供三角函数的运算。

比例积分器pi按照公式u(k)＝u(k-1)+kp*(e(k)-e(k-1))+ki*e(k)执行比例积分运算，它是pid控制的重要环节，比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差，积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。

低通滤波器lpf按照公式y(k)＝y(k-1)+lpf_k*(x(k)-y(k-1)),执行滤波运算，消除部分控制参量上的纹波和噪声。

在本发明内，foc模块执行电机矢量控制算法，根据电流反馈做闭环控制，如图3所示，foc模块主要包括角度模块、pi控制器、坐标转换模块、输出模块等，其内部包含电流闭环，用户通过给定id/iq的参考值，就可以输出六路pwm信号用以驱动电机；同时通过adc模数转换器自动采集电流作电流闭环。

foc模块内部含有4个坐标变换，即clark变换、park变换、revclark变换和revpark变换,其中，clark变换将电流从3轴2维的定子坐标系变换到2轴α-β的定子坐标系；park变换将电流从2轴α-β的定子坐标系变换到随着转子磁通旋转的2轴旋转d-q坐标系；revpark变换将电压矢量从2轴旋转d-q坐标系变换到2轴静止α-β坐标系；revclark变换将电压矢量从2轴静止α-β坐标系变换到静止3轴3相定子坐标系。

svpwm(空间矢量脉宽调制)产生三相电机电压信号的脉宽调制信号，svpwm算法是foc控制的一个重要组成部分，其主要思路是采用逆变器空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，能明显减少逆变器输出电流的谐波分量及电机的谐波损耗，降低转矩脉动，而且有较高的利用率。

foc模块在运算的过程中，用户可以查看实时角度值θ和估算速度eω，还可以查看其它的电机实时参数，用户可以根据参数判定电机的实时状态。

foc模块需要提供的实时参数有：角度值θ，估算角度eθ，估算速度eω，d轴电压vd和电流id，q轴电压vq和电流iq，α轴电压vα和电流iα，β轴电压vβ和电流iβ，母线电压vdc，三相电流ia/ib/ic，α轴反电动势eα，β轴反电动势eβ，反电动势的平方值esqu以及功率pow。

本发明的有益效果如下：

采用双核结构的电机控制mcu芯片，内部的电机控制引擎将复杂的电机控制算法硬件化，电机应用开发人员无需编写专门的电机控制算法程序，只需配置电机的控制参数，就可实现各种高性能电机控制；本发明整体电路外围元件少，大大降低了电机控制应用的开发难度，缩短了开发时间，而且可靠性更容易得到保证。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。