芯海32位MCU在电机控制上的应用方案

电机（Electric machinery，俗称“马达”）是依据电磁感应定律，实现电能转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是产生驱动转矩，为用电器或各类机械提供动力。电机作为工业世界的动力之源，几乎用于所有电子设备。据不完全统计，全球电力消耗的50%来自电机，尤其是工业用电中，约60%的电力被电机消耗。电机种类繁多，应用纷繁复杂。电机与人们生活息息相关，广泛应用到吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电，以及电动自行车、电动滑板、平衡车等骑行车辆。同时覆盖发电、制造和运输等工业领域，包括泵、机床、压缩机等应用场景。而在车用电机领域，从电动车窗、天窗、后备箱，到水泵、油泵、HVAC，EV主电机，电机都发挥着重要作用。

作为动力源，电机的工作环境非常恶劣，常常需要经受热应力、机械应力、电流偏差、环境变化、自然老化等因素侵蚀而造成故障，严重甚至影响安全使用。因此，为了提升电机的性能和使用安全、延长使用寿命，人们需要不断提高对电机控制芯片的性能和品质要求。

长期以来，国内电机控制芯片市场由欧美国际大厂主导，国内企业起步较晚，市占率较低。近年来，随着国产MCU不断崛起，众多国产厂商快速成长，在电机驱动控制芯片细分领域的技术积累已颇具竞争优势。

当前，随着电机驱动控制领域的技术研发积累，持续关注基于32位MCU的电机控制应用方案，在精度、可靠性、集成度等关键技术指标上不断优化的方案设计。

以下将分享几个典型的电机控制的应用方案。

应用一：车载水泵

随着新能源汽车的蓬勃发展，采用车载电子水泵成为大势所趋。车载电子水泵通过带有电子控制驱动单元的水泵，为汽车发动机冷却系统提供智能调节散热功能，满足车辆在任何工况下的温度需求和工作性能。

一般来说，车载电子水泵的控制应用要在具备控制水泵开关、流量控制、压力控制、运转保护等功能集成上，满足汽车的高集成设计、超长续航的稳定性需求。

CS32F036Q是一款车规级高可靠性的32位MCU，采用Arm® Cortex®-M0内核，工作频率48MHz，集成多达32K字节Flash和4K字节SRAM，一个I2C/SPI、两个USART（支持Software LIN）、专为电机控制设计的12位高速ADC和增强型定时器、六个16位通用定时器、一个32位定时器、最多支持17路PWM输出。

CS32F036Q通过AEC-Q100认证，满足车规级产品工作环境恶劣的要求，可实现单电阻无传感器FOC控制，同时提供整套FOC控制算法支持。

CS32F036Q的产品特点：

更宽的工作温度（-40~105℃）

更宽的工作电压2.0~5.5V

12bit 1M SPS采样频率的高速、高精度ADC，有效精度≥10bit

ADC工作范围：2.4~5.5V，-40~105℃

±1%精度的低温漂时钟

低漂移基准电压及±2℃的温度传感器

应用二：电动自行车

近年来，随着“新国标”的落地，双轮电动车在智能化、强性能、安全性等方面不断演进，带动了新一轮的换车高峰。电动车控制器作为双轮电动车的核心部件，迎来新的增长。

32位MCU CS32F031与CS32F103，作为电动车控制器的主控MCU芯片，很好地满足了双轮电动车、电动三轮、共享电单车的高温宽、高耐潮的应用环境，以及PWM、ADC等高可靠性的功能要求。

CS32F031采用Arm® Cortex®-M0内核，主频高达48MHz，内置1个功能丰富的高级定时器、1个10通道1Msps采样率的高精度ADC、6个16-bit定时器（支持霍尔捕获）。CS32F031采用5V供电，抗干扰能力强，成本更优。

CS32F103采用ARM-Cortex M3内核，主频高达72MHz, 支持单周期乘法和多周期硬件除法运算, 内置1个功能丰富的高级定时器、2个共计16通道1Msps采样率的高精度ADC、3个16-bit定时器（支持霍尔捕获），支持7通道DMA传输，提供LQFP48/64/100等主流封装形态。

CS32F031与CS32F103两款产品均可满足有感FOC控制的所有需求。

芯海科技CS32F031电动自行车系统框图

CS32F031的产品特点：

最高48MHz工作频率

32K/64 Kbytes的flash 存储器, 192B Flash 数据存储, 4K/8Kbytes的SRAM，带硬件奇偶校验

VDD 电压: 2.0 to 5.5V

内部8MHz/14MHz RC高速振荡器，典型情况下1%精度，内嵌PLL

1路16bit高级控制定时器（TIM1），每路有6个带死区控制的PWM输出通道

5个16位通用定时器，支持脉冲宽度测量和PWM波生成

1路12-Bit高精度ADC，采样率高达1Msps，10个输入通道

2个 USART, 支持: ISO7816接口, LIN主从功能, IrDA传输编解码; 2个I2C; 2个SPI

多达39个GPIO

应用三：变频冰箱

近年来，随着国家能耗标准的不断提高，高能效变频家电成为主流应用。变频冰箱作为大白电的旗舰应用，其市场占比不断提升。随着变频控制技术的持续发展，高性价比的32位MCU芯片作为变频冰箱的核心控制器件，其市场渗透率也随之稳步上升。

CS32F030系列MCU，可实现单电阻无传感器FOC控制，同时提供整套FOC控制算法支持，该系列提供LQFP32封装，可大大提供产品良率。

基于CS32F030K6T6设计的变频冰箱应用方案具备如下特性：

单电阻无感矢量控制

驱动算法成熟，电机适配性强，匹配过主流压缩机平台（东贝、加西贝拉、恩布拉科）

启动算法成功率100%

支持过流、过压、缺相、堵转等保护，延长产品使用寿命

高级控制算法支持：谐波抑制、转矩补偿等

应用四：变频高速风筒

变频高速风筒以转矩脉动小、效率高、噪声小、动态响应快而受到市场的广泛认可。

面对新的市场趋势，现在推出高达12万转的高速风筒应用方案。方案采用Arm® Cortex®-M3内核的MCU主控芯片CS32F103，搭配智能IPM模块CSPM405。在软件方面，采用无
FOC矢量控制，搭配电机控制算法，可实现速度扭矩双闭环控制。

基于“CS32F103+CSPM405+最新算法”的高速风筒方案具备如下特征：

三电阻无感FOC控制

最高转速12万转

支持速度转矩双闭环控制

支持过流，过压，短路保护

良好的EMI/EMC性能

CS32F103的产品特点：

最高72MHz工作频率

支持单周期乘法和硬件除法

64K/128KBytes的Flash存储器，20KBytes的SRAM

内部8MHz RC高速振荡器，内部40kHzRC低速振荡器，支持4~16MHz晶体振荡器

锁相环(PLL),最高支持72MHz

3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入

1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器

2路12-Bit高精度ADC，采样率高达1Msps，16个输入通道

7通道DMA控制器, 支持的外设包括:SPIx,I2Cx,USARTx,TIMx,ADC

3个USART,2个I2C接口,2个SPI接口,1个CAN 2.0B接口,1个USB2.0接口

丰富的GPIO（LQFP48:37个，LQFP64:51个，LQFP100: 80个）

目前，“电机控制及驱动应用”仍在持续丰富和完善。

审核编辑黄宇