基于飛凌FET1052-C控制永磁同步交流伺服電機方案
一、前言介紹，背景描述
運動控制、精密控制是目前眾多行業設備的需求，為了使這些設備能以最佳的性能工作，采用經過改進的新型馬達控制技術是關鍵所在。能效的提高是趨勢所向，新技術同時還能帶來更多的優勢，如實現更加平穩的工作，大幅度降低噪聲水平。眾多制造商正在應對這些挑戰，馬達市場正在被更加高效的方案替代，如直流無刷(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)。
近年來,采用全數字控制方法,以永磁交流電機為控制對象的全數字交流伺服系統正在逐漸取代以直流電機為控制對象的直流伺服系統和采用模擬控制技術的模擬式交流伺服系統。全數字交流伺服系統采用矢量控制方法,可實現優良的控制品質。
利用NXP最新發布的i.MXRT1052高性能處理器可實現對交流電機運行的位置、速度和電機電樞電流的高精度控制。該產品完美融合了低功耗應用處理器和高性能微控制器的優勢。i.MX RT系列是業界首款跨界處理器，以實惠的價格提供超高性能 Arm? Cortex?-M內核、實時功能和MCU可用性。
二、飛凌FET1052-C特點
1、運行更快，響應更快
采用Cortex-M7架構，主頻528MHz，CoreMark 3020 /1284 DMIPS；512KB緊耦合內存，中斷延遲低至20ns；行業最低的動態功耗，帶集成DC-DC轉換器；
2、 擴展更強，接口更多
核心板引出多達124個GPIO，原生支持LCD、Camera、USB、UART、CAN、Ethernet、PWM等功能接口；
3、數據加密，工業品質
高可靠性引導(HAB)，帶實時QSPI Flash解密，128位AES加密和真隨機數生成器，板卡設計充分考慮信號完整性，保證最佳的電氣性能，-40-85℃溫度標準 保證在嚴酷環境中穩定運行；
三、飛凌FET1052-C方案展示
1、PMSMs方案整體框圖
? RS232通訊接口電路用于PC機與FET1052-C核心板通訊的電平轉換；
? 速度模擬控制輸入接口電路用于速度控制信號以模擬的方式輸入；
? LCD顯示電路用于LCD顯示速度、人機交互等信息；
? 光電碼盤接口電路用于光電碼盤與i.MX RT1052的連接；
? 電流檢測電路用于U和V相電流的檢測；
? 驅動、隔離電路用于隔離驅動逆變電路；
2、電流檢測電路
i.MX RT 1052支持兩個高精度AD轉換控制器，每個控制器支持16個通道。高達12bit分辨率的線性逐次逼近算法，1MS/S的采樣速率，支持中斷與輪訓方式采樣，可實現對電機的三相電壓采樣無需進行相位補償。但由于是單極性的所以對交流采樣時要加提升電路，使交流信號電壓范圍在 0V～3.3V 之間。本方案中使用了3路 A/D 轉換輸入，分別為兩路電流檢測和一路模擬信號輸入采樣。電流檢測就是把交流電機的兩相定子電流轉換成相應的二進制代碼，以方便處理。因為本系統是三相平衡系統IA + IB + IC = 0，因此只要檢測其中兩路電流，就可以得到三相電流。由于霍爾元件輸出的是弱電流信號，因此，應將該電流信號轉換成電壓信號，然后經過濾波加法處理，由于霍爾電流傳感器的輸出為有正負方向的電流信號，而 i.MX RT 1052片內 A／D 轉換器為單極性輸入為 0～3.3V的電壓信號，因此要有電壓偏移電路。
特性：
? 配置寄存器
? 32 位字對齊的字節使能寄存器。（字節和半字訪問是不支持的）
? 帶 10/11 位精度的高達 12 位分辨率的線性逐次逼近算法。
? 最多 10 個 ENOB（專用單端通道）
? 高達 1MS / s 的采樣率
? 最多 8 個單端外部模擬輸入
? 單次或連續轉換（單次轉換后自動返回到空閑狀態）
? 輸出模式:8 位,10 位,12 位
? 可配置采樣時間和轉換速度/功率
? 轉換完成和硬件平均功能完成會產生標志和中斷
? 輸入時鐘最多可選擇三個來源
? 可選擇異步時鐘源作為輸出時鐘，這樣可降低噪聲
? 可通過選擇硬件通道來選擇異步硬件轉換觸發
3、光電碼盤接口電路
i.MX RT 1052支持四路正交解碼器（ENC），利用來自位置/速度傳感器的 5 個輸入信號（ PHASEA， PHASEB， INDEX， TRIGGER 和 HOME），正交解碼器模塊對軸位置，轉數和速度進行解碼，正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉機械的位置和速率等信息。
i.MX RT1052正交解碼方塊圖
特性：
? 包括邏輯以解碼正交信號；
? 輸入可連接到通用定時器，以進行低速度測量；
? 可配置的數字濾波器用于輸入；
? 正交解碼器濾波器可以被旁路；
? 可以進行模數計數的 32 位的位置計數器；
? 位置計數器可以通過軟件或外部事件進行初始化；
? 比較功能可以顯示軸何時到達了規定的位置；
? 看門狗定時器可以檢測到軸不旋轉的狀況；
? 可預加載的 16 位轉數計數器；
?16位位置差異寄存器；
4、驅動隔離電路
可使用由IR公司所生產的IR2132來驅動G4PH50UD-E(IGBT)，構建成三相逆變器。因為i.MX RT1052所產生的PWM波形頻率比較高，用一般的低速光耦會使得驅動電路的開關時間變長，在低速，小負載時會嚴重影響到電機的低速性能，所以可選用高速光耦，有效提高逆變器的快速性。
i.MX RT1052最高支持32路PWM輸出，包含 PWM 子模塊，每個子模塊都設計為控制單個半橋功率級。 提供故障通道支持。 該 PWM 模塊可以產生各種開關模式，包括高度的復雜的波形。 支持控制所有已知的電機類型，也是控制不同開關模式電源（ SMPS）拓撲的理想選擇。
特性：
? 支持 16 位分辨率的中心，邊緣對齊和非對稱 PWM 模式
? 可以作為互補對或獨立通道工作的 PWM 輸出
? 獨立控制每個 PWM 輸出的兩個邊沿
? 支持與外部硬件或其他 PWM 同步
? 雙緩沖 PWM 寄存器
? 從 1 到 16 的積分重載率
? 半循環重載能力
? 可以通過硬件在每個 PWM 周期內產生多個輸出觸發事件
5、RS232通訊、顯示電路
i.MX RT1052最高支持8路UART、2路CAN接口，方便擴展其他功能應用；支持8/16/24 位 LCD 接口，支持最大 1366×768 分辨率，支持4.3、7寸電阻觸摸，支持 8/16-bit MPU/8080 接口。支持2D圖形加速引擎，支持emWIN圖形界面；
飛凌嵌入式OK1052-C開發板支持裸機、FreeRTOS、ucLinux操作系統開發，方便客戶不同場合的產品應用。MCU模式支持Keil、IAR、ARM-GCC等編譯器，同時還支持Amazon FreeRTOS、SDK、ARM mbed以及軟件庫、在線工具和相應支持的全球 ARM 生態系統來實現快速原型制作和開發。 MPU模式依然采用工程師最為熟悉的Ubuntu+GCC開發方式。
本次方案充分展示了FET1052-C在電機控制方面突出的性能優勢以及接口豐富程度，如需兩個PMSM電機控制方案可以參考NXP官網應用筆記AN12200（Dual FOC Servo Motor Control on i.MX RT）。
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