一种基于RISC-V架构的永磁同步电机驱动微控制器制造技术

一种基于RISC

【技术实现步骤摘要】
一种基于RISC
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V架构的永磁同步电机驱动微控制器


[0001]本专利技术属于数字集成电路设计领域，尤其涉及MCU微控制器设计。

技术介绍

[0002]在现今经济社会发展如此迅速的背景下，工业活动和社会生活中对电机的需求日益增加，并且对电机性能的要求也呈现逐年增长的趋势，在这种趋势下下直流电机慢慢的取代交流电机成为目前电机的主流，尤其是PMSM永磁同步电机实现了普及应用。在如今科技发展日新月异的时代背景下，PMSM的各种控制策略也如雨后春笋般涌现了出来，这些控制策略的出现使得高性能控制技术理论日趋完善。
[0003]同时，随着半导体科技的发展进步，与电机控制相关的电力电子技术和控制芯片的性能得到了快速地提升。其中，磁场定向控制系统是驱动电机的一种有效的方式，这种控制系统需要测量转子的位置和速度信息。通常情况下，测量方法采用的是机械式位置传感器。这种方法虽然可行，但机械式传感器的安装会给电机本体和控制系统带来更多的问题。电机本体由于加装机械式传感器，会使电机本体占用更多的空间使得电机的体积变大。机械式传感器损坏后，整个电机控制系统就会崩溃，为此控制系统不易维护。
[0004]在实际的工业生产中，有很多的使用无机械式传感器测量转子位置的方法，经常使用的方法有卡尔曼滤波器法、模型参考自适应方法、滑模观测器法和磁链估计法等。其中滑模观测器(Sliding Mode Observer，简写为SMO)巧妙的将观测器理论和滑模变结构控制理论结合起来，该方法是以滑模变结构为主要的理论基础。鲁棒性强是滑模观测器的显著特性，同时滑模观测器独特之处还在于它的控制系统中存在滑模变结构，这种特殊的结构方式可以充分利用滑模变结构鲁棒性强的特点，并将这种特点应用到了观测器中。滑模变结构和通常的连续性控制方法不一样，它是非线性的。另外该结构有比较特殊的滑模控制方式，它可以使系统的状态按已经设置好的相轨迹滑到期望点。由于滑模变结构给定的相轨迹与控制对象的变量以及外部干扰的变化无关，因此，该算法有响应速度快和系统内部参数和外部干扰相互独立的特点，因而可以保证系统是渐进稳定的。
[0005]RISC
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V是一个基于精简指令集(RISC)原则的开源指令集架构(ISA)。与大多数指令集相比，RISC
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V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC
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V芯片和软件。虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要意义，因为其设计使其适用于现代计算设备(如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统)。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件，这解决了新指令集通常的弱点。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种基于RISC
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V架构的永磁同步电机驱动微控制器,旨在设计一种用无位置传感器方法代替机械式传感器的FOC控制系统，以解决传统PMSM永磁同步电机控制的传感器不稳定、易损坏而导致系统崩溃，精度低和鲁棒性低，受环境条件影响和
限制明显以及效率低下等技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0008]本专利技术的微控制系统使用基于RISC
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V指令集架构的开源内核，相对于传统CISC指令集架构，RISC
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V架构指令简单，运算速度更快，且可靠性更高，并且对于芯片面积的利用更加充分。
[0009]本专利技术采用AXI和APB作为微控制器系统的双级总线，AXI总线作为高速总线与系统内的内核等高速模块，如与中央处理器和FOC协处理器相连。APB作为低速总线则与GPIO、UART和ADC等速度比较低的外设模块相连，两者搭配，使系统的性能、功耗和面积达到一个较好的平衡。
[0010]在电机控制策略方面，本专利技术采用磁场定向控制(Field
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oriented Control，简称FOC)方法。该方法是一种利用变频器(VFD)设备来控制三相电机定子中电流的技术，利用调整变频器的输出频率和电压的幅值及相位，来控制电机的输出，在整个扭矩和速度范围内都具有良好的控制能力。该算法的主要思想为：首先测量得到转子的位置，这样就能知道转子磁场的方向；根据转子位置可以计算出期望的定子磁场矢量；最后可以通过控制三相电流合成期望的定子磁场矢量它的主要特点就是将三相交流电转换成两相直流电，然后再通过控制这两个直流电来输出控制电机运行的电流。这种控制方法中输出的电流和电压都是矢量，所以这种控制方式也称作矢量控制。相对于其他驱动控制方式，这种控制方式使得电机驱动更加有效且流畅平稳。
[0011]本专利技术还采用无位置传感器的方法获取转子位置信息和转速信息。无位置传感器方法是利用电机中的相关参数来测量转子的位置信息，使得电机控制系统精度更高、开销更低、尺寸更小、系统更加稳定，通过这种方式可以解决传统机械式传感器控制系统一旦损坏则不易维护、成本高的问题。
[0012]具体地，本专利技术采用滑模观测器法进行获取转子位置和转速信息。相对于其他无位置传感器控制方法，滑模观测器的显著特性是鲁棒性强。滑模观测器独特之处在于它的控制系统中存在滑模变结构，滑模变结构和通常的连续性控制方法不一样，它是非线性的。该结构有比较特殊的滑模控制方式，它可以使系统的状态按已经设置好的相轨迹滑到期望点。由于滑模变结构给定的相轨迹与控制对象的变量以及外部干扰的变化无关，因此，该算法有响应速度快和系统内部参数和外部干扰相互独立的特点，可以保证系统是渐进稳定的。滑模变结构算法简单是该算法的另一大优点，所以该算法在工程上很容易实现。
[0013]在电机逆变器控制方面，本专利技术使用空间矢量脉宽调制，即SVPWM的方法。这种控制方法主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。为了实现SVPWM算法使逆变器输出对称的正弦波电流，这种控制方式主要的实现流程是：判断参考电压矢量的扇区，以此来判断使用哪两个基本电压矢量来合成参考矢量；确定基本电压矢量的作用时间，以此来判断准确的合成按圆形轨迹旋转幅值不变的参考矢量；确定扇区的矢量切换时刻，目的是使参考矢量的旋转更平稳。对比之下，传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制，并且能够更好地控制电机的运转过程，提高能量的转化效率。
[0014]进一步，所述微控制器在部分模块设计时采用IP复用技术，如GPIO、UART和ADC模块，重复使用已经过设计和验证的IC模块，这种技术缩短了研发周期，节约人力物力，提高系统的设计效率以及可靠性，并且对于工艺技术可以更好地进行利用。
附图说明
[0015]图1为本专利技术所实现的永磁同步电机驱动微控制器的整体结构示意图；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RISC
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V架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，微控制器主要包括：中央处理单元，为RISC
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V指令集架构，用于系统的控制、数据运算、程序运行；内部存储器采用哈弗结构，程序和数据分别存储在不同的存储空间，独立编址且独立访问；GPIO模块，为微控制器的通用输入输出端口；PWM模块，通过计数器实现输出周期波形；UART模块，用于数据的异步收发；I2C控制器，用于串行通信；SPI控制器，为串行外设接口；ADC模块，将模拟信号转换成表示一定比例电压值的数字信号；FOC控制模块，实现FOC算法，完成闭环电机驱动控制；FOC协处理器单元，包含乘法器、除法器、cordic算法单元和PID算法单元等，用于实现FOC驱动电路的数据运算以及系统控制。2.根据权利要求1所述的一种基于RISC
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V架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，该微控制器使用RISC
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V精简指令集架构。相对于其他复杂指令集架构，精简指令集架构指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期。这种架构降低设计成本，提高设计有效性。3.根据权利要求1所述的一种基于RISC
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V架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，使用高级微控制器总线体系作为子系统模块之间共享的通信链路。系统的一级总线为AXI总线，用于高性能、高时钟工作频率模块，比如中央处理器以及FOC协处理器；二级总线为APB总线，用于低速外设模块，比如GPIO模块、PWM模块、UART模块、I2C控制器、SPI控制器和ADC模块等。总线转接桥进行总线通信协议的转换，将AXI事务转化为APB事务，灵活针对地实现各个模块对总线的需求。4.根据权利要求1所述的一种基于RISC
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V架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，系统中设计一个单独的FOC协处理单元。该FOC协处理单元包含乘法器、除法器、cordic算法单元和PID算法单元，与ADC模块直接连接，实现协处理器与FOC模块的频率匹配，用于完成FOC驱动电路的数据运算和控制以及坐标变换算法、空间矢量脉宽调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李威，谭菲，徐子涵，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：