技术文章：如何提高电机能效利用率

电机作为最主要的机电能源转换装置，其应用范围已遍布全球国民经济的各个领域，无论是在人们日常生活中使用的白色家电等家用电器，还是无人飞行器等消费电子产品，以及各类机器人等工业控制产品等方面，都有着极为广泛的应用。在我国供应的电能中有近60%是用于电机运转而消耗，因此降低电机能耗可以有效地提高能源利用率。目前电机也由早期的交流电机转向使用直流无刷电机（BLDC）以提高能效利用率，高效节能是整个电机行业的发展趋势。

基于MCU控制的无刷直流电机消除了刷子磨损和弧形机构，该技术使电机具有更高的效率，更高的转矩-惯量比，更高的速度性能，更低的噪声，更好的热效率和低EMI特性。从而使电机在更低成本下可以更为高效的稳定可靠运行，并从整体上降低了整机成本。

     图1： MCU控制的电机典型结构

——国民技术高效电机控制系列产品Roadmap

针对电机控制应用市场，国民技术有针对性的规划了系列化的芯片产品和解决方案，覆盖高、中、低电机市场应用，具有如下特色和优势:

❶ 具备高性能32位处理器内核，支持硬件乘除法运算，浮点运算，DSP运算指令，实现硬件级高效、快速、准确的指令控制。

❷ 提供多路高速PWM定时器、模数转换器（ADC），基于单MCU芯片可实现多个电机的无传感器控制，同时对于有感电机支持编码器输入接口。

❸ 芯片内置专用比较器（COMP）和运算放大器（OPAMP），支持内置可编程增益放大模式（PGA），简化了整机电路系统设计，缩小板内空间、降低成本、提高系统稳定性。

❹ 内置MOS驱动器，支持高压输入（仅M系列和部分型号支持）

图2：国民技术电机控制MCU Roadmap

——基于N32G455系列MCU的一拖多电机控制解决方案

N32G455系列芯片为已发布的通用增强型处理器，支持FPU及DSP高速的处理能力、集成4个独立的12bitADC、内置4个独立的运算放大器和7个高速模拟比较器，适用于单芯片控制多电机的应用。同时，为了加快用户开发，缩短客户产品上市时间，国民技术提供了包括各类电机控制底层算法、评估板和相关开发文档等全套用户级开发套件和应用指导，开发套件囊括了从基本的直流无刷（BLDC），到用于高级无传感器定向控制（FOC）、以及有传感器控制等种类齐全的电机解决方案。支持有刷直流电机、步进电机、BLDC、永磁同步电机、交流感应电机和开关磁阻电机等多种电机类型。

N32G455电机系列在应用中，具有如下基础性底层技术优势，革新行业技术演进路线：

❶ 高达4个独立的具有5Msps高速采样速率的12位模数转换器（ADC），实现单芯片FOC控制两个甚至四个BLDC电机，极大降低多电机应用中的成本控制。

❷ 硬件级电机控制脉宽调制，最小脉宽低至6.9ns，具有更高的电机控制精度，实现电机精确调教和稳定运行。

❸ 片内集成模拟运算放大器、模拟比较器及12位数模转换器（DAC），更高的集成度可提升系统稳定性，并进一步降低BOM成本。

❹ 片内紧密耦合存储器，实现快速的存储器访问和调度。

❺ 内置10余种密码算法硬件加速引擎，提供硬件级的程序Flash分区保护机制，可实现对核心算法的分区存储和加密保护、核心代码分区访问、程序的安全启动等有关知识产权的保护措施，实现零附加成本防抄板、防篡改、防窃取。

——基于用户级简单易用的电机解决方案开发套件

基于N32G455系列芯片的电机控制开发套件，提供完整的电机控制算法库，支持包括MRAS在内的多种无感算法、基于正交编码的位置环控制，支持单电阻、双电阻电流采样控制，支持BLDC、FOC混合应用，支持完全独立的双电机、四电机应用，支持全参数的数据观测和参数配置，支持代码自动生成的开发流程。

图3：电机控制算法库模块架构

——功能齐全的用户级评估板

为方便用户评估，国民技术提供基于N32G455控制芯片的电机评估板，该评估板由相互分离的驱动板（包含双电阻双FOC驱动板、单电阻双FOC驱动板）和控制板组成，用户可以自由组合出相应的电机验证平台，该开发套件支持无感FOC应用评估、HALL位置检测FOC应用评估、编码器位置检测FOC应用评估。

图4：双电阻双FOC评估板

图5：单电阻双FOC评估板

——基于N32G455系列增强型微控制器的优异特性

N32G455系列采用32bit ARM Cortex-M4F内核、集成最大容量512KB Flash，144KB SRAM，集成多达17个高性能模拟器件，18个数字通讯接口，内置10余种密码算法硬件加速引擎，支持存储加密、用户分区保护、安全启动等多种安全特性，可广泛应用于白色家电、手持云台、无人飞行器、机器人、数字电源、UPS、伺服控制器等应用领域。

图6：N32G455系列型号资源配置表