1. 前言
電動工具是指一種運用小容量電動機或電磁鐵，通過傳動機構(gòu)驅(qū)動工作頭的手持式或可移式的機械化工具，如電鉆、電鋸、切割機等。按照精度和使用領(lǐng)域的不同，電動工具大致可分為工業(yè)級、專業(yè)級和通用級三類。
隨著全球制造業(yè)的不斷發(fā)展，在智能化、自動化的背景下，全球電動工具行業(yè)市場規(guī)模也隨之不斷增長。據(jù)資料顯示，2021年全球電動工具行業(yè)市場規(guī)模達290億美元，同比增長6.62%。 其中北美和歐洲地區(qū)是全球最主要的電動工具需求市場，2021年占比合計超80%。具體來看，2021年北美地區(qū)占比達43.8%，歐洲地區(qū)占比達37.6%，亞太地區(qū)占比達18.6%。
隨著近年來我國房地產(chǎn)及制造業(yè)的快速發(fā)展，使得市場對電動工具的需求不斷增加，推動了我國電動工具市場規(guī)模的增長。據(jù)資料顯示，2021年我國電動工具行業(yè)市場規(guī)模達1873億元，同比增長15.19%，預(yù)計到2022年市場規(guī)模將增長至2158億元，目前中國已成為全球電動工具生產(chǎn)制造大國，2021年國內(nèi)電動手提式工具產(chǎn)量達2.7億臺，同比增長22.87%。
資料來源：電動工具市場白皮書
隨著電動工具從工業(yè)等專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域逐步向民生領(lǐng)域的發(fā)展，小型化、智能化和無繩鋰電池化是電動工具行業(yè)今后的主要發(fā)展趨勢，行業(yè)需要更緊湊、更省電、更高效和更經(jīng)濟的電動工具控制方案。
本次發(fā)布的方案是基于廣芯微低功耗32位MCU芯片UM3213A開發(fā)的設(shè)計，UM3213A采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，主頻32MHz，內(nèi)置64KB閃存，支持1.8~5.5V寬電壓工作范圍，支持3路互補PWM輸出，內(nèi)置1路運放和3路比較器，支持8通道12位1MspsADC轉(zhuǎn)換器、多路UART、SPI，I2C等豐富外設(shè)接口，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點。芯片支持9路PWM和1路CAN總線，提供35個GPIO。
UM3213A芯片資源總覽
2.方案速覽
2.1方案特點：
1.可實現(xiàn)低速大負載啟動，帶載運行能力強
2.內(nèi)置3路比較器快速直接獲取反電勢信號，節(jié)省成本且更高效可靠
3.無極調(diào)速+防飛車檢測電路設(shè)計方案，可快速實現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用
4.內(nèi)置比較器做硬件過流保護，快速又安全
5.支持欠過壓、欠過溫、欠過流、超速等保護，大幅度縮減開發(fā)周期
6.PWM支持異常情況緊急停機保護機制，有效防止功率元器件損壞
7.防抄板設(shè)計，防止eFlash中程序被盜取
8.內(nèi)部集成電機控制專用單元，減少外圍電路，節(jié)省布板空間
9.高集成、高性能、低成本，成熟的電機控制算法，快速匹配不同的電機
2.2工作原理簡介
本方案采用120°導(dǎo)通型，即二二導(dǎo)通模式控制BLDC電機，電機每隔60°換相一次，電機正常工作任意時刻都有兩個功率管同時導(dǎo)通，且每個器件開通120°電角度，而換相之前需要知道轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，本方案采用三路內(nèi)置比較器對相電壓和三相中性點電壓比較得到轉(zhuǎn)子扇區(qū)，通過提前換相從而使轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動，工作原理框圖如下。
原理框圖
本方案采用方波二二導(dǎo)通方式驅(qū)動，每次只給三相電機中的兩相通電：一相連接到電源的 正極，一相連接到電源的負極，一相浮空。電流從電源的正極流入，進入其 中一相，并從電機的另一相流出到電源的負極。電流流向如下圖所示
在一個電周期 360° 電角度內(nèi)，共有六種不同的控制信號控制功率管開通關(guān)斷，使得定子電流有六種狀態(tài)，即定子繞組的合成磁動勢有六種狀態(tài)，每步持續(xù)60°拖動轉(zhuǎn)子運行，從而實現(xiàn)電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，其合成磁勢如下如圖所示。
如下圖 ，F(xiàn)s為定子合成磁動勢，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)子磁動勢，由下圖可知定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁動勢往往在60°到120°之間，但是這并不是最大輸出扭矩的角度，根據(jù)磁場力矩最大原理，F(xiàn)s和Fr為90°時扭矩輸出最大。
為了輸出最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子的位置信號至關(guān)重要。每次換相時，先檢測轉(zhuǎn)子的位置信號，當檢測到過零點時 定子合成磁動勢超前轉(zhuǎn)子磁動勢120°電角度，當轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)30°電角度后再次進行換相，此時輸出扭矩最大，根據(jù)二二導(dǎo)通原理和星型結(jié)構(gòu)電機結(jié)構(gòu)可知，假設(shè)一對極電機，每相包含兩個過零點，三相即6個過零點，故電機的轉(zhuǎn)子位置每變化 60° 電角度進行一次換相控制 。示意圖如下所示
3.硬件模塊介紹
3.1 UM3213A電動工具PCB設(shè)計圖和實拍
3.2 PWM調(diào)制輸出
3路互補PWM輸出支持各種PWM調(diào)制方式，GTIMER0/1/2為3個16位通用定時/計數(shù)器，每個定時器有兩路PWM輸出和1路輸入捕獲，可產(chǎn)生帶死區(qū)時間的互補PWM。
3.3 反電勢采樣電路
芯片內(nèi)部三路比較器采樣，3路獨立比較器，具有軌到軌輸入的遲滯比較器，三路比較器的IN+接入三相反電勢采樣點上，另IN-一起接入反電勢采樣電路的公共點上。
注：C24/C25/C26濾波電容根據(jù)電機屬性及實際的測試信號進行調(diào)整,建議100pf或1uf
3.4 電流采樣電路
適用于電動工具，通常母線電流在15-20A，故使用1毫歐采樣電阻，配置3.3V基準電壓，20倍放大倍數(shù).
注：此運放可使用MCU內(nèi)部集成運放
3.5 硬件電流保護電路
a. 使用配置運放輸出OP_P與OP_N電壓比較，實現(xiàn)硬件剎車。OP_N電壓外部配置（R15與R18分壓值為比較電壓）。
b. 可使用外部比較器電流輸入至Gtimer0/1/2 任意一路BK配置口。
注：內(nèi)置的這一路運放只能運放或比較二選一。本方案將內(nèi)部運放做比較器使用，此圖只展示原理。
3.6 母線電壓采樣
分壓比根據(jù)系統(tǒng)電壓值進行調(diào)整，R49/C32組成RC濾波電路。
3.7 溫度采樣（NTC）
NTC電阻與R47分壓，經(jīng)過C30濾波輸入至MCU ADC采樣口實現(xiàn)MOS 溫度采樣。通過CON1口連接BMS板上NTC， ADC采樣來實現(xiàn)電池包過問保護。
4.軟件介紹
4.1軟件架構(gòu)
此方案整個軟件工程分為應(yīng)用層、System、Common及電機庫。應(yīng)用層包含系統(tǒng)初始、系統(tǒng)配置、CLI引擎、通用任務(wù)、電機控制API、電機任務(wù)等。System層包含Startup啟動、中斷服務(wù)、時鐘、睡眠與低功耗等。Common層包含消息隊列、軟定時器、延時/串口輸出、實用工具等。電機庫包含PID 環(huán)路、換相函數(shù)處理、芯片驅(qū)動庫等。
4.2 外設(shè)功能
4.3 電機控制算法概要
4.4 電機運行狀態(tài)
電機運行狀態(tài)分為 INIT、 READY、 RUN 、STOP、 BRAKE、 FAULT 6個狀態(tài)：
1.INIT主要處理電機及功能參數(shù)初始化；
2.READY主要等待電機運行指令；
3.RUN主要是電機運行處理函數(shù)；
4.STOP主要是處理停機；
5.BRAKE主要處理剎車；
6.FAULT主要處理停機或剎車，處理故障狀態(tài)，判斷是否重啟。
4.5 分時事件處理
定時中斷計數(shù)，獲取不同時間標志位，在主循環(huán)中判斷時間標志位運行不同時間事件處理函數(shù)。
1.與PWM周期同步處理的事件有電流保護、PWM的調(diào)節(jié)；
2.每1ms處理的事件有按鍵的狀態(tài)機、計時功能及指示燈的報警；
3.每5ms處理的事件有電壓保護、速度閉環(huán)、堵轉(zhuǎn)保護；
4.每10ms處理的事件有mos溫度保護；
4.6 保護措施
5.測試波形
5.1 運行過程中相電壓波形
5.2 全速運行時相電壓波形
6.CLI 引擎
為用戶提供配置、管理以及維護等操作，是技術(shù)人員調(diào)試和維護設(shè)備的重要手段。使用超級終端、Tera Term或SecureCRT通過UART接口登錄系統(tǒng)并使用命令進行系統(tǒng)調(diào)試和維護管理。
7.通用的開發(fā)環(huán)境如下：
7.1 硬件環(huán)境：
MCU平臺：UM3213A
調(diào)試器：JLINK V9隔離仿真器
電機類型：PMSM/BLDC
7.2 軟件環(huán)境
操作系統(tǒng)：Windows
編譯器：Keil MDK V5.25
編譯語言：C
關(guān)于廣芯微
廣芯微電子（廣州）股份有限公司專注于低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片的研發(fā)、設(shè)計與銷售，為客戶提供面向個人與家庭、工業(yè)與商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,以低功耗為差異化的8位/32位微控制器芯片、無線射頻收發(fā)器芯片、數(shù)字電源管理芯片和傳感與信號調(diào)理專用芯片等。
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