萨科微 MOSFET 与兆易创新MCU设计方案的配合案例(2)

2020-11-27 14:54:53 6

 基于GD32E230/F303系列MCU的无感微型电机方案设计

 

牙科手机又叫做口腔手机,是一种专用于口腔科的医疗器械,自问世以来,以其非同寻常的转动速度受到病人和操作者的欢迎,迅速取代了电动手机,成为当今牙科工作中不可或缺的工具


本方案,采用兆易创新GD32E230/F303系列MCU作为主控,具有快速、稳定、噪音小、成本低等特点,可用于口腔科夹持高速牙科车针进行钻、磨牙、洗牙及美容护理等。


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电机方案电气参数

 

· 转速≥300000rpm,最大转矩范围0.075-0.15N.cm


· 正反转/调速控制/转速显示


· 多路气阀控制


· 噪音<70dB

 

1、GD32E230无感方波控制低成本方案


方案特点


采用Arm Cortex-M23内核的GD32E230超值型MCU作为主控,在无感方波控制中,主要是利用反电动势过零点的方式来得到换相信号(反电动势过零点的信号与电机的换相信号在相位上相差30°电角度)。为了得到反电动势过零的信号,采用硬件比较器法将检测得到的端电压的值与电机中性点电压进行比较来得到反电动势过零点的信号。


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本方案具有电路简单、成本低等特点,主要应用在洗牙设备、牙齿护理等场合。

 

方案电路板


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GD32E230系列MCU主要规格


· Cortex-M23@72MHz,55DMIPS的处理性能


· Flash: 64KB/32KB/16KB


· SRAM : 8KB/6KB/4KB


· 高速高精度ADC,12Bits ADCx1@2.6Msps,10通道


· 高级定时器x1,可产生6路死区可调的互补PWM输出


· 通用定时器x5


· Flash带硬件加密保护


· 多种串行通讯方式:I2Cx2, SPIx2, UARTx2;


· 丰富的封装类型: TSSOP20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP32/LQFP48


· 供电电压:1.8V~3.6V


· 单周期硬件乘法器、硬件除法器、硬件分频器、嵌套向量中断控制器(NVIC)等独立资源


· 工业级的工作温度范围:-40℃~105 ℃


· 工业级的ESD特性:6000 Volt

 

 

2、GD32F303无感FOC控制高性能方案


方案特点


无感FOC控制,主要是利用电机数学模型以及一些自动控制原理上的知识来实现电机的控制。在无感FOC的控制中,通常需要使用相应的观测器来实现对转子位置的间接得到,为了获得更好的动静态特性、系统的控制精度、响应速度以及稳定性能。本方案采用了基于Arm Cortex-M4内核的GD32F303主流型MCU进行设计,GD32F303片内自带浮点运算功能,通过浮点运算更好的把控PID的比例参数设定,动态响应快。


控制方法采用滑膜环观测器法(具体公式及原理请参考无刷直流电机控制应用资料)。利用自动控制原理中的滑膜变结构的控制原理来实现的。滑膜变结构实际上是变结构控制系统的一种控制策略,特点在于其控制的不连续性,在一定特性下迫使系统在规定的超平面上下做小幅度、高频率的运动,也就是我们常常讲到的“滑动模态”或“滑模”运动。此滑动模态与系统的参数和扰动无关,且可以设计,因此系统有很好的鲁棒性。


方案技术亮点


无刷无感直流电机启动是很关键的一步,为了达到启动快速稳定噪音小等特性,本方案采用的了I/F启动方法。I/F启动方式的核心是在电枢绕组中产生幅值跟随参考值、频率逐渐增大的旋转电流矢量,使转子加速起动。它的特点是工作在速度开环、电流闭环的状态,定子绕组电流经过坐标变换以后,投影到由指令位置角决定的旋转坐标系上,并受期望值的约束,可有效避免过流产生。其控制框图如下图所示。


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本方案转速可以做到高低速平稳运行100~380,000 RPM, 适用于微型高速电机应用,如医用牙科高速手机、打磨机等


方案电路板


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GD32F303系列MCU主要规格


· Cortex-M4@120MHz 主频,150DMIPS的处理性能


· Flash: 256KB~3072KB


· SRAM : 48KB~96KB


· 供电电压:2.6V~3.6V


· 3个12-bit ADC@2.6Msps,21通道


· 1个24-bit SysTick timer系统节拍定时器,高达4个通用16位定时器,2个基本定时器和1个增强型定时器


· 多种串行通讯方式:I2C x2, SPI x3, USART+UART x5


· 丰富的封装类型: LQFP48/LQFP64/LQFP100/LQFP144


· 单周期硬件乘法器、硬件除法器、硬件分频器、嵌套向量中断控制器(NVIC)等独立资源


· Floating Point Unit浮点运算单元


· 工业级的工作温度范围:-40℃~85 ℃


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