薩科微 MOSFET 與兆易創新MCU設計方案的配合案例(2)

薩科微動態|Sarko Micro Dynamics|

2022-03-03 09:22:39 11

基于GD32E230/F303系列MCU的無感微型電機方案設計

牙科手機又叫做口腔手機，是一種專用于口腔科的醫療器械，自問世以來，以其非同尋常的轉動速度受到病人和操作者的歡迎，迅速取代了電動手機，成為當今牙科工作中不可或缺的工具

本方案，采用兆易創新GD32E230/F303系列MCU作為主控，具有快速、穩定、噪音小、成本低等特點，可用于口腔科夾持高速牙科車針進行鉆、磨牙、洗牙及美容護理等。

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電機方案電氣參數

· 轉速≥300000rpm，最大轉矩范圍0.075-0.15N.cm

· 正反轉/調速控制/轉速顯示

· 多路氣閥控制

· 噪音<70dB

1、GD32E230無感方波控制低成本方案

方案特點

采用Arm Cortex-M23內核的GD32E230超值型MCU作為主控，在無感方波控制中，主要是利用反電動勢過零點的方式來得到換相信號(反電動勢過零點的信號與電機的換相信號在相位上相差30°電角度)。為了得到反電動勢過零的信號，采用硬件比較器法將檢測得到的端電壓的值與電機中性點電壓進行比較來得到反電動勢過零點的信號。

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本方案具有電路簡單、成本低等特點，主要應用在洗牙設備、牙齒護理等場合。

方案電路板

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GD32E230系列MCU主要規格

· Cortex-M23@72MHz，55DMIPS的處理性能

· Flash: 64KB/32KB/16KB

· SRAM : 8KB/6KB/4KB

· 高速高精度ADC,12Bits ADCx1@2.6Msps,10通道

· *定時器x1,可產生6路死區可調的互補PWM輸出

· 通用定時器x5

· Flash帶硬件加密保護

· 多種串行通訊方式：I2Cx2, SPIx2, UARTx2;

· 豐富的封裝類型: TSSOP20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP32/LQFP48

· 供電電壓:1.8V~3.6V

· 單周期硬件乘法器、硬件除法器、硬件分頻器、嵌套向量中斷控制器(NVIC)等獨立資源

· 工業級的工作溫度范圍：-40℃~105 ℃

· 工業級的ESD特性:6000 Volt

2、GD32F303無感FOC控制高性能方案

方案特點

無感FOC控制，主要是利用電機數學模型以及一些自動控制原理上的知識來實現電機的控制。在無感FOC的控制中，通常需要使用相應的觀測器來實現對轉子位置的間接得到，為了獲得更好的動靜態特性、系統的控制精度、響應速度以及穩定性能。本方案采用了基于Arm Cortex-M4內核的GD32F303主流型MCU進行設計，GD32F303片內自帶浮點運算功能，通過浮點運算更好的把控PID的比例參數設定，動態響應快。

控制方法采用滑膜環觀測器法(具體公式及原理請參考無刷直流電機控制應用資料)。利用自動控制原理中的滑膜變結構的控制原理來實現的。滑膜變結構實際上是變結構控制系統的一種控制策略，特點在于其控制的不連續性，在一定特性下迫使系統在規定的超平面上下做小幅度、高頻率的運動，也就是我們常常講到的“滑動模態”或“滑模”運動。此滑動模態與系統的參數和擾動無關，且可以設計，因此系統有很好的魯棒性。

方案技術亮點

無刷無感直流電機啟動是很關鍵的一步，為了達到啟動快速穩定噪音小等特性，本方案采用的了I/F啟動方法。I/F啟動方式的核心是在電樞繞組中產生幅值跟隨參考值、頻率逐漸增大的旋轉電流矢量，使轉子加速起動。它的特點是工作在速度開環、電流閉環的狀態，定子繞組電流經過坐標變換以后，投影到由指令位置角決定的旋轉坐標系上，并受期望值的約束，可有效避免過流產生。其控制框圖如下圖所示。

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