广芯微发布基于UM3213A的电动工具电机控制方案
1. 前言
电动工具是指一种运用小容量电动机或电磁铁，通过传动机构驱动工作头的手持式或可移式的机械化工具，如电钻、电锯、切割机等。按照精度和使用领域的不同，电动工具大致可分为工业级、专业级和通用级三类。
随着全球制造业的不断发展，在智能化、自动化的背景下，全球电动工具行业市场规模也随之不断增长。据资料显示，2021年全球电动工具行业市场规模达290亿美元，同比增长6.62%。 其中北美和欧洲地区是全球最主要的电动工具需求市场，2021年占比合计超80%。具体来看，2021年北美地区占比达43.8%，欧洲地区占比达37.6%，亚太地区占比达18.6%。
随着近年来我国房地产及制造业的快速发展，使得市场对电动工具的需求不断增加，推动了我国电动工具市场规模的增长。据资料显示，2021年我国电动工具行业市场规模达1873亿元，同比增长15.19%，预计到2022年市场规模将增长至2158亿元，目前中国已成为全球电动工具生产制造大国，2021年国内电动手提式工具产量达2.7亿台，同比增长22.87%。
随着电动工具从工业等专业应用领域逐步向民生领域的发展，小型化、智能化和无绳锂电池化是电动工具行业今后的主要发展趋势，行业需要更紧凑、更省电、更高效和更经济的电动工具控制方案。
本次发布的方案是基于广芯微低功耗32位MCU芯片UM3213A开发的设计，UM3213A采用ARM Cortex-M0+内核，主频32MHz，内置64KB闪存，支持1.8~5.5V宽电压工作范围，支持3路互补PWM输出，内置1路运放和3路比较器，支持8通道12位1MspsADC转换器、多路UART、SPI，I2C等丰富外设接口，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性的特点。芯片支持9路PWM和1路CAN总线，提供35个GPIO。
2.方案速览
2.1方案特点：
1.可实现低速大负载启动，带载运行能力强
2.内置3路比较器快速直接获取反电势信号，节省成本且更高效可靠
3.无极调速+防飞车检测电路设计方案，可快速实现产品应用
4.内置比较器做硬件过流保护，快速又安全
5.支持欠过压、欠过温、欠过流、超速等保护，大幅度缩减开发周期
6.PWM支持异常情况紧急停机保护机制，有效防止功率元器件损坏
7.防抄板设计，防止eFlash中程序被盗取
8.内部集成电机控制专用单元，减少外围电路，节省布板空间
9.高集成、高性能、低成本，成熟的电机控制算法，快速匹配不同的电机
2.2工作原理简介
本方案采用120°导通型，即二二导通模式控制BLDC电机，电机每隔60°换相一次，电机正常工作任意时刻都有两个功率管同时导通，且每个器件开通120°电角度，而换相之前需要知道转子所在扇区，本方案采用三路内置比较器对相电压和三相中性点电压比较得到转子扇区，通过提前换相从而使转子持续转动，工作原理框图如下。
本方案采用方波二二导通方式驱动，每次只给三相电机中的两相通电：一相连接到电源的 正极，一相连接到电源的负极，一相浮空。电流从电源的正极流入，进入其 中一相，并从电机的另一相流出到电源的负极。电流流向如下图所示
在一个电周期 360° 电角度内，共有六种不同的控制信号控制功率管开通关断，使得定子电流有六种状态，即定子绕组的合成磁动势有六种状态，每步持续60°拖动转子运行，从而实现电机连续运转，其合成磁势如下如图所示。
如下图 ，Fs为定子合成磁动势，Fr为转子磁动势，由下图可知定子合成磁势与转子磁动势往往在60°到120°之间，但是这并不是最大输出扭矩的角度，根据磁场力矩最大原理，Fs和Fr为90°时扭矩输出最大。
为了输出最大转矩，转子的位置信号至关重要。每次换相时，先检测转子的位置信号，当检测到过零点时 定子合成磁动势超前转子磁动势120°电角度，当转子再旋转30°电角度后再次进行换相，此时输出扭矩最大，根据二二导通原理和星型结构电机结构可知，假设一对极电机，每相包含两个过零点，三相即6个过零点，故电机的转子位置每变化 60° 电角度进行一次换相控制 。示意图如下所示
3.硬件模块介绍
3.1 UM3213A电动工具PCB设计图和实拍
3.2 PWM调制输出
3路互补PWM输出支持各种PWM调制方式，GTIMER0/1/2为3个16位通用定时/计数器，每个定时器有两路PWM输出和1路输入捕获，可产生带死区时间的互补PWM。
3.3 反电势采样电路
芯片内部三路比较器采样，3路独立比较器，具有轨到轨输入的迟滞比较器，三路比较器的IN+接入三相反电势采样点上，另IN-一起接入反电势采样电路的公共点上。
3.4 电流采样电路
适用于电动工具，通常母线电流在15-20A，故使用1毫欧采样电阻，配置3.3V基准电压，20倍放大倍数.
注：此运放可使用MCU内部集成运放
3.5 硬件电流保护电路
a. 使用配置运放输出OP_P与OP_N电压比较，实现硬件刹车。OP_N电压外部配置（R15与R18分压值为比较电压）。
b. 可使用外部比较器电流输入至Gtimer0/1/2 任意一路BK配置口。
注：内置的这一路运放只能运放或比较二选一。本方案将内部运放做比较器使用，此图只展示原理。
3.6 母线电压采样
分压比根据系统电压值进行调整，R49/C32组成RC滤波电路。
3.7 温度采样（NTC）
NTC电阻与R47分压，经过C30滤波输入至MCU ADC采样口实现MOS 温度采样。通过CON1口连接BMS板上NTC， ADC采样来实现电池包过问保护。
4.软件介绍
4.1软件架构
此方案整个软件工程分为应用层、System、Common及电机库。应用层包含系统初始、系统配置、CLI引擎、通用任务、电机控制API、电机任务等。System层包含Startup启动、中断服务、时钟、睡眠与低功耗等。Common层包含消息队列、软定时器、延时/串口输出、实用工具等。电机库包含PID 环路、换相函数处理、芯片驱动库等。
4.2 外设功能
4.3 电机控制算法概要
4.4 电机运行状态
电机运行状态分为 INIT、 READY、 RUN 、STOP、 BRAKE、 FAULT 6个状态：
1.INIT主要处理电机及功能参数初始化；
2.READY主要等待电机运行指令；
3.RUN主要是电机运行处理函数；
4.STOP主要是处理停机；
5.BRAKE主要处理刹车；
6.FAULT主要处理停机或刹车，处理故障状态，判断是否重启。
4.5 分时事件处理
定时中断计数，获取不同时间标志位，在主循环中判断时间标志位运行不同时间事件处理函数。
1.与PWM周期同步处理的事件有电流保护、PWM的调节；
2.每1ms处理的事件有按键的状态机、计时功能及指示灯的报警；
3.每5ms处理的事件有电压保护、速度闭环、堵转保护；
4.每10ms处理的事件有mos温度保护；
4.6 保护措施
5.测试波形
5.1 运行过程中相电压波形
5.2 全速运行时相电压波形
6.CLI 引擎
为用户提供配置、管理以及维护等操作，是技术人员调试和维护设备的重要手段。使用超级终端、Tera Term或SecureCRT通过UART接口登录系统并使用命令进行系统调试和维护管理。
7.通用的开发环境如下：
7.1 硬件环境：
MCU平台：UM3213A
调试器：JLINK V9隔离仿真器
电机类型：PMSM/BLDC
7.2 软件环境
操作系统：Windows
编译器：Keil MDK V5.25
编译语言：C
关于广芯微电子
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广芯微秉持客户第一、技术创新和市场领先的理念，以国际领先的技术为基础，为客户提供一流的产品与技术，打造值得信赖的集成电路设计品牌企业。公司独有的低功耗芯片设计方法、轻量化人工智能算法、大功率的PD协议控制以及多样性无线连接技术整合而成的低成本高收益的集成电路设计，在健康医疗电子、消费电子、智慧家庭、工业控制、传感器与表计等领域已经得到了广泛的应用。广芯微低功耗微处理器芯片与射频芯片具有超低睡眠功耗与更低的工作电流，有效地帮助电子设备降低能耗，积极助力节能减排。
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