东软载波微电子芯片在电动工具领域的应用PPT课件

1、东软载波微电子芯片在电动工具领域的应用日期： 2019.05Copyright 2019, essemi corporation. 目录页公司简介电动工具锂电保护板电动工具电机驱动板123公司简介Copyright 2019, essemi corporation.成立于2000年，投资方包括中国最大白色家电供应商海尔集团和几家知名风险投资基金，海尔集团总裁杨绵绵出任公司董事长。2004年成为首批国家信息产业部认定的IC设计企业之一。2015年，青岛东软载波完成对上海海尔集成电路的收购，变更设立为其全资子公司。公司成立以来，始终坚持专注高抗干扰、低功耗芯片的设计研发。并始终以行业前沿的技术、设

2、计、质量和服务，创新性地为客户提供包括从芯片、系统、软件、云端等的完整服务。多元化的产品与服务赢得了众多家电、消费电子、工业控制、汽车电子、仪器仪表等领域品牌客户的青睐。（前身上海海尔集成电路有限公司）上海东软载波微电子有限公司愿景（What to be)使命 (What to do ) 致力于为全球智能制造业转型客户及IoT产业客户提供IoT-MCCS领域提供从芯片到系统的整体解决方案，引领客户步入智能物联时代。成为卓越的IoT-MCCS领域全球领导品牌MCCS：MCU-可靠控制Connection-安全连接Computation-可信边缘计算System-物联系统Copyright 201

3、9, essemi corporation.东软微芯片应用领域白色家电仪器仪表行车辅助生活电器厨卫电器环境家电智能家居娱乐电器车载安全智能电网照明安防商密安全消费电子医疗电子物联网车载电子工业控制低压配电金融安全智能硬件电机控制电动工具消防个人护理Eastsoft MCU Inside电动工具锂电保护板Copyright 2019, essemi corporation.锂电保护板锂电池之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电。锂电保护板Copyright 2019, essemi corporation.电池没有绝对的一致性

4、，在成组成串后，电池之间的容量失配超出一定的阈值便会影响整个电池组的实际可用容量。为此，我们需要对失配的电池进行均衡。电池为什么需要均衡？电池组产生不均衡的主要因素1）电芯制造、分容误差（设备能力、品质管控）2）电芯组装匹配误差（阻抗、SOC状态）3）电芯自放电率不均 【电芯工艺、阻抗变化、成组工艺 （过程控制、绝缘）、 环境（热场）】。Copyright 2019, essemi corporation.IC过放控制过充控制+-均衡工作方式电量充电Copyright 2019, essemi corporation.电量+-充电均衡工作方式IC过放控制过充控制Copyright 2019,

5、essemi corporation.电量+-充电4.25-4.35V3.8-4.1VIC过放控制过充控制均衡工作方式Copyright 2019, essemi corporation.AFE芯片HA53xxLDO过流保护LDO输出MOSFET Driver短路电流保护芯片过温保护Copyright 2019, essemi corporation.AFE芯片HA53xx性 能特 性工作电压范围4.5V25V和6V25 V 检测特性电压检测范围：1.5V5V（5节电池串联）电压测量精度：2V以上精度为35mV，1.5V2V精度为40mV（-2085）电流测量精度：1%精度温度测量精度：不超过

6、7MOSFET Driver 驱动电压10V16V，驱动电流50mA+均衡电流30mA功耗Standby 10uA Active，不超过60uA 。Copyright 2019, essemi corporation.系统电路电压采集电流采集均衡充放电MOSFET驱动控制模块电源模块MCU供电VOUT测量HA53xx电动工具电机驱动板Copyright 2019, essemi corporation.该驱动板基于ES32F05xx系列电机控制芯片，用于驱动三相无刷直流电机。由于采用了独立的电流采集方式，该驱动板可以支持六步方波和FOC矢量控制方式。l 驱动BLDC/PMSM电机l 供电电压8

7、48Vl 温度监测及保护l 电流监测及保护l 完全兼容方波和FOC控制算法l 支持有感及无感控制模式l 支持HALL/Encoder电机传感器l 最大3A峰值电流驱动评估板Copyright 2019, essemi corporation.ES电机驱动为客户提供FOC矢量控制和方波控制驱动库，客户可根据应用需求选择相应的驱动库。ES电机驱动库Copyright 2019, essemi corporation.l 支持无传感器驱动模式l 可编程启动参数l 单环模式和双环模式l PID及无感模式参数可配置l 过流、过压、欠压、过热及速度l 反馈等错误处理l 内环控制硬件处理定子磁场转矩只有6个

8、方向ES电机驱动库六步方波驱动Copyright 2019, essemi corporation.外环输出的电流参考值与实际电路中电流形成比较。比较的结果通过定时器的ETR功能从而完成PWM占空比的调节。ES电机驱动库六步方波驱动电流模式外环环通过PID控制器产生的输出作为PWM脉冲信号的占空比。电压模式Copyright 2019, essemi corporation.ES电机驱动库六步方波驱动u 六步方波驱动特性l转矩脉动显著l噪声较大l对微处理器要求不高l出力更大l电压利用率高，能直接运行至极速u 结论 非正弦分布的定子绕组，使BLDC难以应用在低转矩脉动和低噪声运行场合，此类应用场

9、合考虑采用FOC矢量控制。Copyright 2019, essemi corporation.l 速度模式和力矩模式（运行时可任意切换）l 可编程速度和力矩斜坡l 可配置PWM载波频率l 无感加速启动配置l PID及无感模式参数可配置l 过流、过压、欠压、过热、速度反馈及运算l 超时等错误处理l 支持60度/120度霍尔传感器布置l 顺风启动v 电流超前转子90度。v 需获取转子位置信息。v 较好的转矩性能。v 无转矩脉动。ES电机驱动库FOC矢量驱动Copyright 2019, essemi corporation.l CLARKE和PARK坐标变换降低马达方程复杂性，用于Iq和Id的解

10、耦合l 对定子电流转矩分量Iq和励磁分量Id分别控制l Iq跟踪转矩，Id参考值为0，产生最优的转矩输出l 转子位置信息可通过传感器获取也可通过观测器算法获取l 观测器采用的是龙贝格观测算法l SVPWM产生波形失真较小正弦电流l 防止内环电流产生过大超调，应整定成过阻尼系统ES电机驱动库FOC矢量驱动Copyright 2019, essemi corporation.ES32F0500选型电机控制芯片ES32F0500产品型号封装I/OFLASH(KB)RAM(KB)最高工作频率(MHz)工作电压定时器ADCDMA通信接口AES模拟比较器温度传感器内部参考电压特殊功能16位32位RTC位数

11、通道数UART SUART IICSPI ES32F0500LKE LQFP3226364482.2 5.5V5-12166111112有CRCCALC ES32F0500NKE QFN3228364482.2 5.5V5-12166111112有u最高系统频率48MHzu36KB FLASH程序存储器u4KB RAMu定時器支持死区可编程PWM互补输出， 支持刹车功能u12位ADC：2.4MSPS, 最多支持16个外部模拟通道uUART、I2C、SPI多种通讯接口u2个模拟比较器Copyright 2019, essemi corporation.电机控制芯片ES32F05002021-12

12、-2324ARMCortex-M0APB BusAHB BusAPBSRAM 4KBMemoryExternal crystal120MHzExternal crystal32.768KHzClock controlFlash 36KBInternal Oscillator4/16MHzInternal Oscillator32.768KHzPower systemPower-On ResetBrown-Out ResetLVDPll up to 32MHz or 48MHZWith 32KHz or 4MHzUART1CommunicationInterfaceSUART1SPI1I2C1G

13、PIO28/26I/O PortExternal InterruptReset Pin16-bit Timer5TimerIWDT12-bit ADC16Analog moduleACMP2ES32F0500TEMP1Internal Oscillator 32.768KHzWWDTDMAControllerDMADMAMUXSecurity & AcceleratorAESCALCCRCLDOCopyright 2019, essemi corporation.ES32F0541选型电机控制芯片ES32F0541u 最高系统频率48MHzu 64KB FLASH程序存储器u 8KB

14、RAMu 定時器支持死区可编程PWM互补输出， 支持刹车功能u 12位ADC：2.4MSPS,支持8阶PGA (最大8倍),最多支持16个外部模拟通道u UART、I2C、SPI多种通讯接口u 电机控制模块，制作FOC硬件加速产品型号封装I/OFLASH(KB)RAM(KB)最高工作频率(MHz)工作电压定时器ADCDACDMA通信接口电机控制模拟比较器温度传感器16位32位RTC位数通道数UART SUART IIC SPI IISES32F0541LTLQFP6455648481.85V5.5V911121612-bit*163222214ES32F0541LQLQFP4839648481

15、.85V5.5V911121012-bit*162122214ES32F0541LKLQFP3228648481.85V5.5V911121012-bit*162022214ES32F0541NKQFN3229648481.85V5.5V911121012-bit*162022214Copyright 2019, essemi corporation.电机控制芯片ES32F054126ARMCortex-M0APB BusAHB BusAPBSRAM 8KBMemoryExternal crystal432MHzExternal crystal32.768KHzClock controlFla

16、sh 64KBInternal Oscillator4MHz Internal Oscillator32KHzPower systemPll up to 48MHZ With 4MHzUART3CommunicationInterfaceSUART2SPI2I2C2GPIO55I/O PortExternal InterruptReset Pin16-bit Timer9TimerRTCIWDT12-bit ADC16Analog moduleACMP4ES32F0541I2S2TEMP1WWDTDMAControllerDMADMA MUXAccelerator32-bit Timer112

17、-bit DAC1MCMLDOPOR/PDRPVDBand GapBackup Power DomainCopyright 2019, essemi corporation.l 东软载波专用电机控制芯片ES32F0541提供MCM (Motor Control Module)外设l MCM集成了各种电机控制模块，配置其中的独立模块可实现不同的电机控制算法l MCM高速运算模块，避免MCU软件处理数学运算，有充裕的时间做系统管理，实现更为高效和健壮的电机控制系统l MCU通过APB总线读取MCM模块的运算结果无刷马达矢量控制器 (MCM)Copyright 2019, essemi corpor

18、ation.l 一阶IIR数字低通滤波器l 斜波产生器l Clarke/Park变换l Clarke/Park逆变换l 电流PI控制器l 转速PI控制器l SVPWM产生器l 虚拟电机模型l 滑模控制器l 反正切CORDIC硬件运算无刷马达矢量控制器 (MCM)Copyright 2019, essemi corporation.MCM-坐标转换3轴定子坐标系到2轴定子坐标系定子坐标系到转子坐标系Copyright 2019, essemi corporation.MCM-坐标转换MCM的CLARK/PARK运算Copyright 2019, essemi corporation.MCM-PI

19、控制器原理：比较量测参数与设定值之间的差异，由两者间的误差来决定控制器输出大小，使有效误差降至为零。注意：FOC矢量控制分为速度环和电流环。速度环由一个PI控制器调节；电流环分别由2个PI控制器调节转矩电流Iq和励磁电流Id。Copyright 2019, essemi corporation.MCM-PI控制器MCM支持PI控制器硬件运算功能三个独立的PI控制器每个控制器可分别配置不同的应用参数，以便独立控制系统MCM内建四种不同的控制类型Copyright 2019, essemi corporation.MCM-滑模控制器SMC的输入为估算电流与实际流测电流的误差控制器将输出校正因子z来

20、补偿虚拟电机，使误差缩小至0补偿虚拟电机时，可将校正因子z通过一低通滤波器来得到BEMF估计值，而LPF的截止频率需匹配当前矢量的频率根据BEMF的反正切值计算转子角度Copyright 2019, essemi corporation.MCM-滑模控制器MCM 支持滑模控制器虚拟电机模型可配置滑模控制器参数可配置可应用于不同类型电机Copyright 2019, essemi corporation.计算BEMF的反正切数值以获得转子角度利用加减法与位移运算即可计算常用的三角函数值具有高速与内存需求低的特点，适合于硬件上实现MCM-CORDIC运算输出为正规化无符号整数，相应转换后得到角度或者弧度。Copyright 2019, essemi corporation.ES32F0541电动工具解决方案直流无刷电机无段调速反转自停过压、欠压、过流等保护无霍尔控制电量显示Copyright 2019, essemi corporation.方案示意图ES32F0541ADCCMPPWMGPIOGATE DRIVERADC三