一个低成本的FOC控制方案分享

通常，小封装的微控制器单元（MCU）具有成本较低的优势，并被广泛应用于六步方波控制的无刷直流电机（BLDC）中。这类应用对MCU的资源要求较低，小封装的MCU通常能够胜任这些需求。

然而，在基于矢量定向（FOC）的永磁同步电机（PMSM）开发中，对MCU的运算能力和模数转换器（ADC）速度等资源有着较高的要求，大多数现有的小封装MCU无法满足这些需求。

为满足上述需求，沁恒微电子推出了青稞RISC-V处理器全系列MCU产品，其中包括CH32V203F8和CH32V203G8两款小封装V203芯片。

以TSSOP20封装的CH32V203F8为例，该芯片具有以下特点：

• 系统主频最高可达144MHz，支持单周期乘法和硬件整数除法。其硬件整数除法在9个指令周期内完成，处理能力远强于普通MCU，完全能够快速处理FOC控制的复杂运算。
• 内置64KB Flash和20KB RAM，完全能够满足大多数FOC控制所需的存储资源。
• 内置2个独立12位ADC，具有9个可配置采样通道，采样速度最高可达1M/S，能够满足FOC控制的高速采样需求。此外，它还集成了1路高级定时器接口，可用于电机控制输出。
• 内置1组8路通用DMA，可以与定时器和ADC协同工作，特别适用于单电阻方案中的电流采样控制。
• 内置2个运算放大器（OPA），可用于电流放大和短路保护。
• 可选配置1路USB、SWD、IIC或UART接口，可以与虚拟示波器配合使用进行波形观测、代码仿真或下载、外部数据交换等操作。

以上是以CH32V203F8作为控制MCU的单电阻无感方案的硬件原理图。

图1. 主控MCU

图2. 预驱电路

图3. 逆变器及母线电流采样电阻

图4. 母线电流放大采样及过流保护

如图4所示，母线电流经过差分放大电路放大后，可以直接通过所在运放输出脚的ADC采样，如PA4选择为OPA2的输出脚，也可以启用ADC4进行采样。OPA1的输出脚，可配置内部直连高级定时器1的BKIN脚。

图5. 端电压检测

如图5所示，利用ADC0、ADC1和ADC2三个通道对端电压进行采样，可以用于顺逆风启动时的位置判断，这三个引脚同时也是通用定时器2的捕获输入通道。

图6. 母线电压检测

图7. 电源供电

如图7所示，得益于CH32V203的低运行功耗，可用LDO直接进行15V转3.3V，在U9输入端加RC电路，可以增强MCU电源稳定性，并承担部分耗散功率。

图8. 外部接口

如图8所示，MCU的1&2脚为多功能复用引脚，内部可通过代码配置为SWD、USB、I2C、串口或普通IO，实现代码下载调试、虚拟示波器波形观测等功能。

如上所述，虽然CH32V203F8等小封装MCU，引脚较少，但能满足电机控制的基本外设需求，并有着同封装MCU不具备的主频等优势，可灵活应用在低成本电机FOC控制领域。

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