0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

广芯微发布基于UM3213A的电动工具电机控制方案

广芯微电子 来源:广芯微电子 作者:广芯微电子 2022-12-07 15:56 次阅读

1.前言

电动工具是指一种运用小容量电动机或电磁铁,通过传动机构驱动工作头的手持式或可移式的机械化工具,如电钻、电锯、切割机等。按照精度和使用领域的不同,电动工具大致可分为工业级、专业级和通用级三类。

随着全球制造业的不断发展,在智能化、自动化的背景下,全球电动工具行业市场规模也随之不断增长。据资料显示,2021年全球电动工具行业市场规模达290亿美元,同比增长6.62%。其中北美和欧洲地区是全球最主要的电动工具需求市场,2021年占比合计超80%。具体来看,2021年北美地区占比达43.8%,欧洲地区占比达37.6%,亚太地区占比达18.6%。

8746c496-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

随着近年来我国房地产及制造业的快速发展,使得市场对电动工具的需求不断增加,推动了我国电动工具市场规模的增长。据资料显示,2021年我国电动工具行业市场规模达1873亿元,同比增长15.19%,预计到2022年市场规模将增长至2158亿元,目前中国已成为全球电动工具生产制造大国,2021年国内电动手提式工具产量达2.7亿台,同比增长22.87%。

8764f1dc-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

资料来源:电动工具市场白皮书

随着电动工具从工业等专业应用领域逐步向民生领域的发展,小型化、智能化和无绳锂电池化是电动工具行业今后的主要发展趋势,行业需要更紧凑、更省电、更高效和更经济的电动工具控制方案。 本次发布的方案是基于广芯微低功耗32位MCU芯片UM3213A开发的设计,UM3213A采用ARM Cortex-M0+内核,主频32MHz,内置64KB闪存,支持1.8~5.5V宽电压工作范围,支持3路互补PWM输出,内置1路运放和3路比较器,支持8通道12位1MspsADC转换器、多路UART、SPI,I2C等丰富外设接口,具有高整合度、高抗干扰、高可靠性的特点。芯片支持9路PWM和1路CAN总线,提供35个GPIO。

878e5bc6-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

UM3213A芯片资源总览

2.方案速览

2.1方案特点:

可实现低速大负载启动,带载运行能力强

内置3路比较器快速直接获取反电势信号,节省成本且更高效可靠

无极调速+防飞车检测电路设计方案,可快速实现产品应用

内置比较器做硬件过流保护,快速又安全

支持欠过压、欠过温、欠过流、超速等保护,大幅度缩减开发周期

PWM支持异常情况紧急停机保护机制,有效防止功率元器件损坏

防抄板设计,防止eFlash中程序被盗取

内部集成电机控制专用单元,减少外围电路,节省布板空间

高集成、高性能、低成本,成熟的电机控制算法,快速匹配不同的电机

2.2工作原理简介本方案采用120°导通型,即二二导通模式控制BLDC电机,电机每隔60°换相一次,电机正常工作任意时刻都有两个功率管同时导通,且每个器件开通120°电角度,而换相之前需要知道转子所在扇区,本方案采用三路内置比较器对相电压和三相中性点电压比较得到转子扇区,通过提前换相从而使转子持续转动,工作原理框图如下。

88f0dec6-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

原理框图

本方案采用方波二二导通方式驱动,每次只给三相电机中的两相通电:一相连接到电源的 正极,一相连接到电源的负极,一相浮空。电流从电源的正极流入,进入其 中一相,并从电机的另一相流出到电源的负极。电流流向如下图所示

8901437e-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

在一个电周期 360° 电角度内,共有六种不同的控制信号控制功率管开通关断,使得定子电流有六种状态,即定子绕组的合成磁动势有六种状态,每步持续60°拖动转子运行,从而实现电机连续运转,其合成磁势如下如图所示。

891c2ec8-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

如下图 ,Fs为定子合成磁动势,Fr为转子磁动势,由下图可知定子合成磁势与转子磁动势往往在60°到120°之间,但是这并不是最大输出扭矩的角度,根据磁场力矩最大原理,Fs和Fr为90°时扭矩输出最大。

892ea58a-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.jpg

为了输出最大转矩,转子的位置信号至关重要。每次换相时,先检测转子的位置信号,当检测到过零点时 定子合成磁动势超前转子磁动势120°电角度,当转子再旋转30°电角度后再次进行换相,此时输出扭矩最大,根据二二导通原理和星型结构电机结构可知,假设一对极电机,每相包含两个过零点,三相即6个过零点,故电机的转子位置每变化 60° 电角度进行一次换相控制 。示意图如下所示

8949969c-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

3.硬件模块介绍3.1 UM3213A电动工具PCB设计图和实拍

8965add2-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

3.2 PWM调制输出3路互补PWM输出支持各种PWM调制方式,GTIMER0/1/2为3个16位通用定时/计数器,每个定时器有两路PWM输出和1路输入捕获,可产生带死区时间的互补PWM。

89ada6d2-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

3.3 反电势采样电路芯片内部三路比较器采样,3路独立比较器,具有轨到轨输入的迟滞比较器,三路比较器的IN+接入三相反电势采样点上,另IN-一起接入反电势采样电路的公共点上。

89e2f756-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

注:C24/C25/C26滤波电容根据电机属性及实际的测试信号进行调整,建议100pf或1uf

3.4 电流采样电路适用于电动工具,通常母线电流在15-20A,故使用1毫欧采样电阻,配置3.3V基准电压,20倍放大倍数。

89f45fd2-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

注:此运放可使用MCU内部集成运放3.5 硬件电流保护电路a. 使用配置运放输出OP_P与OP_N电压比较,实现硬件刹车。OP_N电压外部配置(R15与R18分压值为比较电压)。 b. 可使用外部比较器电流输入至Gtimer0/1/2 任意一路BK配置口。

8a26aaaa-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

注:内置的这一路运放只能运放或比较二选一。本方案将内部运放做比较器使用,此图只展示原理。3.6 母线电压采样分压比根据系统电压值进行调整,R49/C32组成RC滤波电路。

8a3857b4-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

3.7温度采样(NTC)NTC电阻与R47分压,经过C30滤波输入至MCU ADC采样口实现MOS 温度采样。通过CON1口连接BMS板上NTC, ADC采样来实现电池包过问保护。

8a4ee7e0-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

4.软件介绍4.1软件架构此方案整个软件工程分为应用层、System、Common及电机库。应用层包含系统初始、系统配置、CLI引擎、通用任务、电机控制API、电机任务等。System层包含Startup启动、中断服务、时钟、睡眠与低功耗等。Common层包含消息队列、软定时器、延时/串口输出、实用工具等。电机库包含PID 环路、换相函数处理、芯片驱动库等。

8a5fb64c-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

4.2 外设功能

8a73108e-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

4.3 电机控制算法概要

8a88e968-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

4.4 电机运行状态

电机运行状态分为 INIT、 READY、 RUN 、STOP、 BRAKE、 FAULT 6个状态:

INIT主要处理电机及功能参数初始化;

READY主要等待电机运行指令;

RUN主要是电机运行处理函数;

STOP主要是处理停机;

BRAKE主要处理刹车;

FAULT主要处理停机或刹车,处理故障状态,判断是否重启。

8a9ede58-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

4.5 分时事件处理定时中断计数,获取不同时间标志位,在主循环中判断时间标志位运行不同时间事件处理函数。

与PWM周期同步处理的事件有电流保护、PWM的调节;

每1ms处理的事件有按键的状态机、计时功能及指示灯的报警;

每5ms处理的事件有电压保护、速度闭环、堵转保护;

每10ms处理的事件有mos温度保护。

4.6 保护措施

8aacf060-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

5.测试波形

5.1 运行过程中相电压波形

8abd5f0e-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

8af3137e-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

5.2 全速运行时相电压波形

8b119aec-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

8b1fc126-7603-11ed-8abf-dac502259ad0.png

6.CLI 引擎

为用户提供配置、管理以及维护等操作,是技术人员调试和维护设备的重要手段。使用超级终端、Tera Term或SecureCRT通过UART接口登录系统并使用命令进行系统调试和维护管理。

7.通用的开发环境如下7.1 硬件环境:

MCU平台:UM3213A

调试器:JLINK V9隔离仿真器

电机类型:PMSM/BLDC

7.2 软件环境

操作系统:Windows

编译器:Keil MDK V5.25

编译语言:C

审核编辑 :李倩

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电机控制
    +关注

    关注

    3534

    文章

    1876

    浏览量

    268751
  • 仿真器
    +关注

    关注

    14

    文章

    1017

    浏览量

    83723
  • 电动工具
    +关注

    关注

    5

    文章

    143

    浏览量

    15573
  • 广芯微电子
    +关注

    关注

    0

    文章

    33

    浏览量

    190

原文标题:广芯微发布基于UM3213A的电动工具电机控制方案

文章出处:【微信号:广芯微电子,微信公众号:广芯微电子】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    BLDC电动工具方案

    BLDC电动工具方案 全智科技的8051内核微处理器芯片AS1210SBLDC电动工具方案采用无感方波
    的头像 发表于 12-18 13:54 105次阅读
    BLDC<b class='flag-5'>电动工具</b><b class='flag-5'>方案</b>

    如何构建电动工具高效应用方案?

    11月29日,2024Big - Bit走进企业电动工具专题研讨会—深圳和而泰智能控制股份有限公司专场在深圳隆重举行,电动工具产业链上下游企业共话行业发展趋势与未来。 为促进电动工具
    的头像 发表于 12-03 09:31 150次阅读
    如何构建<b class='flag-5'>电动工具</b>高效应用<b class='flag-5'>方案</b>?

    电动工具电机的块换向与FOC控制解析

    三相无刷直流电机在钻头、驱动器、砂光机、磨床和锯子。到目前为止,霍尔传感器的块换向一直是主要的控制方法电动工具应用中的三相BLDC电机。三相BLDC
    的头像 发表于 11-28 11:47 372次阅读
    <b class='flag-5'>电动工具</b><b class='flag-5'>电机</b>的块换向与FOC<b class='flag-5'>控制</b>解析

    中科创达发布智能电动工具解决方案

    近日,中科创达正式发布最新升级的电动工具解决方案ToolGenie,该方案主要面向电动工具设备制造商及下游服务商,提供智能产品应用、设备诊断
    的头像 发表于 11-17 11:20 456次阅读
    中科创达<b class='flag-5'>发布</b>智能<b class='flag-5'>电动工具</b>解决<b class='flag-5'>方案</b>

    电动工具电源滤波器:保障电动工具性能的关键组件

    在现代工业与日常生活中,电动工具以其高效、便捷的特点,成为不可或缺的设备。然而,电动工具在运行时,其电源系统往往会受到各种电磁干扰,这不仅影响工具的正常运行,还可能对设备造成损害,缩短使用寿命。
    的头像 发表于 11-11 17:28 250次阅读

    电动工具的主要组成有哪些

    作为一种非常常用的电子产品,电动工具是采用传动机构驱动工作头的手持式或可移式的机械化电动工具,它具有效率高、振动小、易于控制等优点。随着芯
    的头像 发表于 11-04 15:00 346次阅读

    基于CW32L010单片机的低成本电动工具方案

    方案采用武汉源的CW32L010F8P6作为主控实现低成本电动工具方案,通过PWM方波控制算法进行
    的头像 发表于 10-30 16:04 983次阅读
    基于CW32L010单片机的低成本<b class='flag-5'>电动工具</b><b class='flag-5'>方案</b>

    电动工具行业实现突破,秘密武器有什么?

    方面取得了显著成果。为了进一步推动行业发展,探讨未来趋势, 第七届(苏州)电动工具控制与充电技术研讨会 于 8月23日 在苏州尼盛万丽酒店圆满落幕。本次电动工具研讨会围绕 “锂能驱动 • 智汇电
    的头像 发表于 09-23 09:57 438次阅读
    <b class='flag-5'>电动工具</b>行业实现突破,秘密武器有什么?

    电动工具拆解汇总:博世、威克士、东成设计方案剖析

    本文汇总了博世、威克士、东成电动工具的拆解文章,通过全方位盘点,揭示其内部构造、设计方案以及元器件选型,为电动工具行业人士提供参考。 电动工具作为现代生活中不可或缺的
    的头像 发表于 08-26 11:43 819次阅读
    <b class='flag-5'>电动工具</b>拆解汇总:博世、威克士、东成设计<b class='flag-5'>方案</b>剖析

    MOT仁懋MOSFET在电动工具上的应用

    ,更对电源管理技术提出了前所未有的挑战。在这一背景下,仁懋电子凭借其深厚的行业积累与技术创新,为手持电动工具领域带来了专业的MOSFET解决方案。高效能,源于精准设
    的头像 发表于 08-02 08:36 1100次阅读
    MOT仁懋MOSFET在<b class='flag-5'>电动工具</b>上的应用

    锂电与智能化浪潮:电动工具市场的下一站

    2024年,全球电动工具市场规模预计将超过500亿美元。锂电化和智能化将是推动电动工具市场增长的两大引擎。 目前,锂电化和智能化已然成为电动工具市场中最重要的两个趋势。 锂电池因其高能量密度、长续航
    的头像 发表于 07-19 09:41 768次阅读
    锂电与智能化浪潮:<b class='flag-5'>电动工具</b>市场的下一站

    使用无刷电机电动工具有什么好处?

    卓越的性能和优势,逐渐成为了电动工具领域的首选。本文将从技术壁垒、解决方案和改善使用体验三个方面,分析电动工具为何选择无刷电机更好。其利天下技术·无刷
    的头像 发表于 05-22 17:57 584次阅读
    使用无刷<b class='flag-5'>电机</b>的<b class='flag-5'>电动工具</b>有什么好处?

    基于瑞萨RL78/G13系列单片机的电动工具解决方案

    电动工具在我们现实生活中无处不在,电动牙刷、电动螺丝刀、剃须刀、空调等都会用到电机控制方案
    的头像 发表于 01-11 09:34 1606次阅读
    基于瑞萨RL78/G13系列单片机的<b class='flag-5'>电动工具</b>解决<b class='flag-5'>方案</b>

    CW32电动工具产品开源应用

    手电钻是一种常见的便携式电动工具,它由一个电动马达和一个可充电电池组成。
    的头像 发表于 01-04 10:39 973次阅读
    CW32<b class='flag-5'>电动工具</b>产品开源应用

    方案 | 无绳电动工具,不接电源线仍能释放动力

    ,成为了万千家庭居家必备的首选。如何设计一款高效的无绳电动工具是赢得市场青睐的一个关键。 图1 无绳电动工具效果图 东芝半导体结合市场需求推出了全新的无绳电动工具设计方案,帮助市场进一
    的头像 发表于 12-25 09:10 672次阅读
    芝<b class='flag-5'>芯</b><b class='flag-5'>方案</b> | 无绳<b class='flag-5'>电动工具</b>,不接电源线仍能释放动力