旗芯微FC4150FXX系列车规MCU电机应用介绍

一 车用电机分类:

通常车用电机分为4类：

1. 直流有刷电机（BDC）：

BDC一般用于门窗座椅等短时间工作的场合，BDC电机启动力矩大，支持PWM方式调速和H桥（需要4路PWM信号）正反转和刹车控制。BDC电机内置机械换向器，所以外置驱动电路简单BOM成本较低。驱动BDC微控制器需要提供1路或4路（H桥驱动）PWM，另外基于功能安全考量还需要一路ADC实时采样马达电流监测电机运行状态。FC4150FXX系列车规微控制器内置定时器FTU能够产生驱动BDC电机需要的PWM信号，而且FTU还可以同步触发ADC在PWM的高电平期间进行采样确保监测准确可靠。FC4150集成多达8x8共64通道PWM和2个ADC多达64通道模拟采样可以同时驱动多个BDC，降低整体方案成本。

BDC控制电路（调速/正反转/制动）

2.直流无刷电机（BLDC）：

BLDC一般用于乘用车上的各种泵类/散热风扇/部分压缩机等应用。相对于BDC取消了机械换向器改为电子方式换向,减少了换向器的机械损耗和噪音提高了马达的使用寿命，而且BLDC能量转换效率高转矩脉动小。但是由于BLDC采用电子方式换向导致驱动电路变得相对复杂，BOM成本升高。

电子换向需要准确知道转子位置通常有2种方式获取转子位置：

a.有传感器方式：通过BLDC内置的3个霍尔传感器获取。

b.无传感器方式：使用MCU的内置高速ADC采样出BLDC的3相线圈的反电动势再软件方式实时计算出转子的位置找到最佳换向点。

车用BLDC采用3相桥方式驱动，需要微控制器提供6路互补对称PWM且要支持死区插入功能。另外还需要实时采集3相电流和3通道的反电动势。FC4150FXX系列车规微控制器内置的定时器FTU能够产生驱动BLDC电机需要的6路互补模式PWM信号且支持死区插入。FC4150FXX的FTU在PWM模式下支持同步触发PTIMER然后由PTIMER多通道方式顺序触发多通道ADC采样，实现BLDC的电流和反电动势的协同采样。

基于FC4150FXX的BLDC电机驱动示意图

3. PMSM永磁同步电机：

PMSM在乘用车领域主要用于压缩机/EPS/EMB及新能源车主驱等对电气和机械特性要求较高的应用场合。永磁同步电机实质上是3相交流电机，功率驱动级可以看作是逆变器它把直流电源转换为3相正弦交流电流注入到PMSM的3相定子线圈用于产生旋转磁场用来牵引永磁转子同步旋转而产生机械转矩，所以也称永磁同步电机（PMSM）。由于PMSM需要精准控制磁场的大小和方向所以也称磁场定向控制（FOC）或者称矢量控制。FOC控制方式通过精确的控制定子磁场的大小和方向使得电机转动力矩平稳，机械噪音小，电能转换效率高，和BLDC相比有着明显的优势。但是由于引入了FOC控制方式，使得PMSM的驱动系统更为复杂，硬件上需要微控制器集成支持3相中心对齐互补输出的PWM，多个支持和PWM同步进行采样的高速ADC。软件上由于FOC控制方式的引入对控制器的运算能力也有了较大的提高，电流计算及正反Clark/Park变换均采用浮点方式对浮点的运算能力也有了极高的要求。所以一般PMSM电机驱动需要较高性能的微控制器内核,有支持和PWM同步采样转换的高速ADC，另外由于采样3相电流所以还需要3套运放电路，当然所有这些需求也总体抬升了PMSM驱动系统的BOM成本。

基于FC4150FXX的PMSM驱动示意图

有一点需要指出的是通常来讲PMSM的FOC控制对于电流的采样实际只需要2相电流即可，第三相电流可以基于基尔霍夫定律计算出来，对于磁场定位和位置估算足够了，可以省去一套运放电路，但是在实际的车载应用中并不是这样的，基于功能安全的需要，FOC控制系统要同时采样3相线圈电流相互验证，这也是车用电子和工业或消费类电子不同的地方，安全考量高于成本考量。

4. 步进电机:

步进电机驱动复杂度基于BDC和BLDC之间，通常用于开环控制系统在车载领域应用相对前面3类电机较少，限于篇幅这里不再进行讨论。

二 FC4150FXX系列车规微控制器介绍：

FC4150FXX系列微控制器是旗芯微半导体于2021年底推出的支持AEC-Q100,Gread1等级，符合ASIL-B功能安全等级的车规微控制器，目前有FC4150F512和FC4150F2M 2个系列。FC4150F2M 系列相比FC4150F512 FLASH和SRAM容量增大更适合支持AUTOSAR的应用，而且部分外设数量增多，比如多2个FTU。

FC4150F2M资源框图

FC4150FXX系列微控制器电机应用相关特性有：

内核：Corte-M4F/FPU/8KB Cache

主频：150MHz

FLASH：2MB/512KB

SRAM：256KB/128KB

CAN：6路（3路支持CAN-FD带增强的RX FIFO解决CAN高速通信延迟现象）

UART：6路支持LIN通信

FTU：8/6个每个FTU支持8通道PWM输出适合一个PMSM驱动

ADC:2个物理ADC，每个ADC支持32个外部通道输入

增强外设:2个PTIMER，2个TRGSEL，支持FOC控制的电流同步采样需求

车规认证:AECQ-100 Grade1(-40度～+125度)

功能安全:ASIL-B

封装:

提供LQFP64/100/144/176四种封装FC4150FXX系列微控制器完全集成了BDC/BLDC/PMSM驱动所需要的全部外设，而且提供有不同版本的FLASH容量和不同封装供用户灵活选择。如果用户需要支持AUTOSAR可以选择2MB版本否则可以考虑512KB版本。如果项目只是单一电机驱动比如压缩机可以考虑LQFP64/100封装而如果还复合其他功能可以考虑LQFP144/176封装。FC4150FXX系列微控制器设计思路上完全遵守车用电子ASIL-B功能安全等级要求，片内内存和控制逻辑上配置有多重纠错及冗余机制以确保FC4150FXX系列安全可靠运行。FC4150FXX系列微控制器在应用测试阶段轻松通过240MHz主频和摄氏150度高温环境7x24小时运行考验，可靠和稳定运行的FC4150FXX系列微控制器是用户终端产品安全运行的核心保障。

三 FC4150FXX系列微控制器电机应用增强硬件介绍：

从前面的PMSM的FOC驱动框图可以知道要实现FOC方式驱动PMSM，需要有一个能产生SVPWM的定时器外设（FTU），2个高速ADC，以及为实现PWM和ADC同步工作的TRGSEL和PTIMER外设。

FTU：FC4150FXX的内置有8/6个FTU每个FTU支持8通道PWM输出，可以组合出4对互补对称输出。

16bit 计数器

每通道可以单独配置为输入捕获或者PWM输出

支持中心对齐模式PWM

支持死区控制

支持产生RELOAD到TRGSEL信号

支持Fault（错误）输入关断PWM输出功能

FC4150FXX系列微控制器集成的FTU支持产生FOC控制需要的中心对齐PWM信号，并且支持插入死区功能，并且FC4150FXX的FTU还支持产生RELOAD的触发信号硬件方式通知2个PTIMER开始计时在PWM周期的中心点附近溢出来触发ADC进行3相电流的采样。

ADC：FC4150FXX内置2个物理ADC可以通过TRGSEL系统和PWM同步工作满足PMSM的FOC控制需求。

支持12bit，10bit，8bit分辨率模式

支持1MSPS/2MSPS采样速度

可以独立配置每通道采样时间

支持DMA支持硬件平均值方式采样

支持32个外部通道

支持软件触发和硬件触发方式启动转换

支持单通道和连续通道方式转换

支持转换完成（Ready）中断

在FOC控制环里需要ADC非常精准的采样3相线圈电流并且在转换结束时产生一个READY中断，后续的全部FOC计算及位置的评估都是以ADC的READY中断为切入点而循环进行的。为实现精准的采样3相电流FC4150FXX支持在PWM和ADC间串入PTIMER控制ADC采样和转换时间点，通过PTIMER的配置使得ADC能在3相桥完全打开的时机点采样到真实的线圈电流并且可以前后移动避开功率管开关瞬态干扰，为安全可靠的PMSM控制提供了良好的硬件基础保障。

PTIMER：

FC4150FXX集成有2个PTIMER分别触发1个ADC开始采样和转换，可以软件配置串入到PWM和ADC之间来支持FOC系统同步采样电机线圈电流的需要。另外PTIMER还可以支持多通道定时触发ADC实现多通道ADC同步通道切换和转换功能，可以实现PMSM线圈电流和旋转变压器sin和cos输入信号的同步转换，减少外扩电路降低控制系统成本。

TRGSEL：

从前面的描述可以看出在FOC控制系统里ADC和PWM的同步工作非常重要，要实现PWM和ADC的同步工作，不能完全依赖微控制器的中断系统，我们都知道中断存在延迟宽度不确定的特点。通过TRGSEL的引入 FTU可以直接触发和通知ADC开始采样，避免了软件方式触发导致的延时的不确定性。FC4150FXX的TRGSEL不但支持直接触发ADC也支持串入一级PTIMER，通过配置PTIMER溢出周期来调整采样点，提高了FOC控制系统的灵活性可以适应更多PMSM驱动领域。这种外设直接触发外设启动ADC工作的方式使得采样延迟宽度确定真正实现了实时和精准控制，使得FC4150FXX系列微控制器非常适合乘用车市场PMSM的矢量控制系统。

内核：

要实现理想的FOC矢量控制系统不但需要支持马达应用的外设还需要较高的微控制器算力，FC4150FXX系微控制器内置有浮点协处理器FPU，同时集成有8KB的指令Cache有效提高了浮点和数字信号运算能力。在实际FOC应用案例中150MHz FC4150FXX运行一个完整的FOC周期全部的运算加上Sensorless位置评估共耗时9.2us，超出大多数电机应用工程师的预期。如果系统采用20KHz的PWM控制频率（周期50us），一个PMSM应用只占用了FC4150FXX的20%的算力，理论上来讲一颗FC4150FXX可以轻松实现3个PMSM的FOC控制。

四 FC4150FXX系列微控制器马达应用开发套件：

为方便用户快速评估基于FC4150FXX微控制器的电机应用，我们提供有电机开发评估套件，该开发套件由电机功率板加上FC4150_EVK板构成。

FC4150FXX电机应用开发套件

功率板特性：

支持8V~50V电源输入

最大功率支持到 1.5KW(48V)

支持霍尔输入支持反电动势输入

支持3相电流采样

支持硬件过流触发FTU错误关断

支持BLDC控制支持FOC方式控制

软件上我们提供SDK和MCAL两种软件驱动开发包供客户选择，客户可以根据项目是否需要支持AUTOSAR灵活选择。

五 总结：

如前所述旗芯微半导体的ASIL-B车规级微控器FC4150FXX采用带DSP指令集和浮点协处理器的Cortex-M4F内核，有着较强的数字信号运算能力配合上增强的外设和硬件在实际电机应用案例中表现优异，非常适合乘用车领域各类电机应用。另外FC4150FXX系列微控制器有多种封装和FLASH容量供用户选择，可以进一步优化终端产品的性价比,和提高终端产品设计时的灵活性。最后要讲的一点是旗芯微专业的现场应用工程师团队可以帮助你迅速移植已有的成熟算法到FC4150FXX系列微控制器平台进行功能验证。

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