SmartFusion雙馬達(dá)控制套件的主要特性及應(yīng)用分析

Microsemi公司的SmartFusion雙馬達(dá)控制套件包括SmartFusion評(píng)估板和與之配對(duì)的TRINAMIC公司的TMCM-AC-840子板，能為逐步馬達(dá)和無(wú)刷DC馬達(dá)（BLDC）提供定制化片上系統(tǒng)（c SoC）馬達(dá)控制平臺(tái)，而SmartFusion的CSOC器件集成了FPGA，ARM ?的Cortex ?-M3處理器，以及可編程的模擬，提供完全定制的IP保護(hù)和容易使用;此外還集成了SRAM存儲(chǔ)器和SPI閃存本文介紹了SmartFusion cSoC主要特性，面板圖和系統(tǒng)架構(gòu)圖，BLDC和步進(jìn)馬達(dá)演示設(shè)計(jì)基本原理以及SmartFusion雙馬達(dá)控制套件主要特性，SmartFusion評(píng)估板主要特性以及TMCM-AC-840子板的主要特性，電路圖和馬達(dá)控制子板PCB布局圖。

SmartFusion?系列cSoCs建立在Fusion混合信號(hào)FPGA首次引入的技術(shù)的基礎(chǔ)上。通過(guò)將FPGA技術(shù)與可編程高性能模擬和經(jīng)過(guò)加固的ARM Cortex-M3微控制器模塊集成到閃存半導(dǎo)體工藝中，可以實(shí)現(xiàn)SmartFusion cSoC。SmartFusion cSoC之所以得名，是因?yàn)檫@三種分立技術(shù)都集成在單個(gè)芯片上，從而為您提供了最低的擁有成本和最小的占地面積解決方案。

SmartFusion定制片上系統(tǒng)（cSoC）的主要特性：

微處理器子系統(tǒng)（MSS）

?硬100 MHz 32位ARM?Cortex?-M3

–零等待狀態(tài) 存儲(chǔ)器的1.25 D MIPS / MHz吞吐量 –存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）

–單周期乘法，硬件除法

– JTAG調(diào)試（4線），串行線調(diào)試（SWD，2線）和單線查看器（SWV）接口

?內(nèi)部存儲(chǔ)器

–嵌入式非易失性閃存（eNVM），128 KB至512 KB

– 16 KB至64 KB的嵌入式高速SRAM（eSRAM），在2個(gè)物理塊中實(shí)現(xiàn)，以允許從2個(gè)不同的

主設(shè)備同時(shí)訪問(wèn)

?多層AHB通信矩陣

–提供高達(dá)16 Gbps的片上存儲(chǔ)帶寬，1允許多主站方案

?具有RMII接口2的10/100以太網(wǎng)MAC

?可編程外部存儲(chǔ)器控制器，其

支持：

–異步存儲(chǔ)器

– NOR閃存，SRAM，PSRAM

–同步SRAM

?兩個(gè)I2C外設(shè)

?兩個(gè)16550兼容UART

?兩個(gè)SPI外設(shè)

?兩個(gè)32位定時(shí)器

?32位看門(mén)狗定時(shí)器

?8通道DMA控制器，可從數(shù)據(jù)事務(wù)中卸載Cortex-M3

?時(shí)鐘源

– 32 KHz至20 MHz主振蕩器

–具有實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器（RTC）的電池供電的32 KHz低功耗振蕩器

– 100 MHz嵌入式RC振蕩器；精度為1％

–具有4個(gè)輸出相位（ 0、90、180、270 ）的嵌入式模擬PLL

高性能FPGA

?基于成熟的ProASIC?3FPGA架構(gòu)

?低功耗，130納米，7層金屬的抗誤錯(cuò)性，基于閃存的CMOS工藝

?非易失性，上電時(shí)實(shí)時(shí)顯示，斷電時(shí)保留程序

?350 MHz系統(tǒng)性能

?嵌入式SRAM和FIFO

–可變長(zhǎng)寬比4，608位SRAM塊

– x1，x2，x4，x9和x18組織

–真正的雙端口SRAM（不包括x18）

–可編程的嵌入式FIFO控制邏輯

?安全I(xiàn)SP通過(guò)JTAG具有128位AES

?FlashLock?可確保FPGA內(nèi)容的安全

?五個(gè)時(shí)鐘調(diào)節(jié)電路（CCC），具有多達(dá)2個(gè)集成模擬PLL

–相移，乘法/除法和延遲功能

–頻率：輸入1.5–350 MHz，輸出0.75至350 MHz的

可編程模擬

模擬前端（AFE）

?最多3個(gè)12位SAR ADC小號(hào)

- 500 ksps的在12位模式下

- 550 ksps的在10位模式

- 600 ksps的在8位模式下

?內(nèi)部2.56 V參考或可選的外部參考

?一個(gè)一階ΣΔ DAC每個(gè)ADC（Σ-Δ）

- 8位，16位，或24位500 ksps的更新速率

?最多每個(gè)設(shè)備多達(dá)5個(gè)高性能模擬信號(hào)調(diào)理模塊（SCB），每個(gè)模塊包括：

–兩個(gè)高壓雙極性電壓監(jiān)控器（4個(gè)輸入范圍為±2.5 V至

–11.5 / + 14 V），精度為1％

–高增益電流監(jiān)視器，差分增益= 50，最高14 V共模

–溫度監(jiān)視器（分辨率=?°C，12位模式；準(zhǔn)確度從–55°C到150°C）

?多達(dá)十個(gè)高速電壓比較器（ tpd = 15 ns）

模擬計(jì)算引擎（ACE）

?從基于ADC，DAC和SCB的模擬初始化和處理中卸載基于Cortex-M3的MSS

?用于ADC和DAC參數(shù)設(shè)置的采樣序列引擎

?用于低通濾波和線性變換等功能的后處理引擎

?輕松通過(guò)GUI在Libero?集成設(shè)計(jì)（IDE）軟件

I / O和工作電壓中進(jìn)行配置

?FPGA I / O

– LVDS，PCI，PCI-X，最高24 mA IOH / IOL

–最高350 MHz

?MSS I / O

–施密特觸發(fā)器，最高6 mA IOH，

最高8 mA IOL，最高180 MHz

?帶片上1.5 V穩(wěn)壓器的3.3 V單電源

?旁路穩(wěn)壓器允許外部1.5 V（對(duì)于FPGA和MSS，數(shù)字VCC = 1.5 V，模擬VCC = 3.3 V和1.5 V）

SmartFusion系列產(chǎn)品：

圖1. SmartFusion cSoC機(jī)箱圖

圖2.

SmartFusion cSoC系統(tǒng)架構(gòu)圖SmartsFusion

雙馬達(dá)控制套件Microsemi的SmartFusion雙馬達(dá)控制套件具有SmartFusion評(píng)估板和TRINAMIC的TMCM-AC-840子板，可提供可定制的片上系統(tǒng)（cSoC）馬達(dá)控制原型平臺(tái)適用于步進(jìn)和無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）。包括每種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)中的一種，以及必要的電纜和電源。SmartFusion cSoC是唯一集成了FPGA，ARM?Cortex?-M3處理器和可編程模擬的設(shè)備，具有完全的自定義，IP保護(hù)和易用性。該器件包含片上閃存和片上SRAM存儲(chǔ)器，以及板上的其他SPI閃存。

SmartFusion FPGA非常適合運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。由于硬件，軟件和其他模擬組件的結(jié)合，復(fù)雜的系統(tǒng)可以集成在單個(gè)芯片中。這大大減少了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制單元所需的組件數(shù)量。實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)可以在硬件中實(shí)現(xiàn)。可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)，但是對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)。實(shí)時(shí)的關(guān)鍵任務(wù)是快速旋轉(zhuǎn)BLDC電機(jī)的換向或高分辨率編碼器信號(hào)的處理。運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中的典型任務(wù)是處理模擬信號(hào)，例如電壓和電流測(cè)量。因此，是SmartFusion的?？梢允褂媚M量I / O和處理功能。

SmartFusion評(píng)估板的主要特性：

?支持SmartFusion評(píng)估，包括ARM Cortex-M3，F(xiàn)PGA和可編程模擬

?免費(fèi)的一年Libero集成設(shè)計(jì)環(huán)境（IDE）軟件和帶有SoftConsole的金牌許可，用于嵌入式設(shè)計(jì)

?兩根USB電纜

?在線用戶(hù)指南，教程和設(shè)計(jì)示例

?印刷電路板（PCB）原理圖，布局文件和物料清單（BOM）

?電路板功能

-以太網(wǎng)接口

-USB端口用于電源和超級(jí)終端

-USB端口用于編程和調(diào)試

-J-Link接頭用于調(diào)試

-混合信號(hào)頭

- SPI FL灰-的片外存儲(chǔ)器

-復(fù)位和2用戶(hù)開(kāi)關(guān)，8個(gè)LED小號(hào)

-電壓/電流監(jiān)控器的POT-

溫度監(jiān)控器

-有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）

與Trinamic的集成BLDC電機(jī)柵極驅(qū)動(dòng)器TMC603A（或集成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TMC262）一起，可以通過(guò)幾個(gè)組件實(shí)現(xiàn)功率級(jí)如TMCM-AC-840子板套件所示，可直接插入ACTEL SmartFusion。評(píng)估套件板或開(kāi)發(fā)套件板。

TRINAMIC TMCM-AC-840子板套件是用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電源驅(qū)動(dòng)器。TMCM-AC-840子板套件包含一個(gè)TMC603A BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC和一個(gè)TMC262 coolStep。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC以及兩個(gè)電機(jī)（一個(gè)BLDC和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)）和一個(gè)適合的便攜式電源立即啟動(dòng)。

TMCM-AC-840設(shè)計(jì)為可與ACTEL SmartFusion一起使用。開(kāi)發(fā)套件（修訂版C和更高版本）以及ACTEL SmartFusion。評(píng)估板，因?yàn)閮蓧K板的混合信號(hào)擴(kuò)展接頭都與引腳兼容（兩塊板請(qǐng)參見(jiàn)ACTEL用戶(hù)指南）。當(dāng)TMCM-AC-840與ACTEL SmartFusion結(jié)合使用時(shí)。配備較大的A2F500 SmartFusion的開(kāi)發(fā)套件。FPGA，混合信號(hào)頭上還有一些其他的模擬I / O?？赏ㄟ^(guò)TMCM-AC-840子板上的引腳接頭輕松訪問(wèn)混合信號(hào)擴(kuò)展接頭的所有信號(hào)。

TMCM-AC-840子板的主要特性：

一個(gè)BLDC電動(dòng)機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)器TMC603A

o集成的雙量程高精度電流測(cè)量放大器

o支持使用功率分流更少電流測(cè)量MOS晶體管的RDSon

?hallFX?傳感器反EMF換向模擬霍爾傳感器

?集成先開(kāi)后合化妝邏輯：沒(méi)有特別的微控制器的PWM所需的硬件

?見(jiàn)的TMC603A數(shù)據(jù)表以獲取更多信息［2］

?一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TMC262

o帶有步進(jìn)和方向接口以及外部功率級(jí)的高分辨率高分辨率微步兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

o高精度的無(wú)傳感器電機(jī)負(fù)載測(cè)量失速Guard2?

o通過(guò)自動(dòng)負(fù)載相關(guān)的電機(jī)電流調(diào)節(jié)技術(shù)coolStep??實(shí)現(xiàn)節(jié)能和冷卻高達(dá)75％的能量！

o有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)TMC262數(shù)據(jù)表［3］。

?一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)（Qmot QBL4208-41-04-006）

?馬克西姆微米額定電流1.8A，峰值電流5.4A，見(jiàn)馬達(dá)規(guī)格/用戶(hù)指南上的電氣和機(jī)械參數(shù)的詳細(xì)信息［6］

?一個(gè)步進(jìn)電機(jī)（Qmot QSH4218-35-10-027）

o最大電流1.0A，有關(guān)電氣和機(jī)械參數(shù)的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)電動(dòng)機(jī)規(guī)格/用戶(hù)指南［5］

?一個(gè)帶有國(guó)際連接器的便攜式電源，電壓為24V / 1A（1.3版及更高版本）

?硬頂盒，易于搬運(yùn)和安全運(yùn)輸（1.3版及更高版本）

?電路板和驅(qū)動(dòng)器級(jí)支持步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器模塊的最大電機(jī)電流高達(dá)2A，而B(niǎo)LDC驅(qū)動(dòng)器模塊支持的最大電機(jī)電流為4A（散熱良好的5A）。

?使用可免費(fèi)提供的演示設(shè)計(jì)（在BSD下）實(shí)現(xiàn)BLDC和步進(jìn)器功能的簡(jiǎn)便即插即用解決方案

?BLDC電機(jī)的霍爾傳感器接口

?ABN編碼器接口，用于高精度位置測(cè)量

o編碼器接口可與步進(jìn)器或步進(jìn)電機(jī)一起使用與BLDC電機(jī)配合使用。

?連接到Actel SmartFusion?設(shè)備的模擬模塊（信號(hào)調(diào)節(jié)模塊，SCB）的各種模擬信號(hào)，例如，用于電壓測(cè)量

?附加的RSENSE測(cè)量引腳

?混合信號(hào)擴(kuò)展接頭的所有信號(hào)都可以通過(guò)以下引腳接頭訪問(wèn)：測(cè)試和測(cè)量

?BLDC和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)運(yùn)行

?與Actel SmartFusion?開(kāi)發(fā)套件以及Actel SmartFusion?評(píng)估套件的引腳都兼容 。?

每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都需要單獨(dú)的DC電源電壓

o步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器模塊（TMC262）：+ VM262 = 12V至40V

o BLDC驅(qū)動(dòng)器模塊（TMC603A）：+ VM603 = 12V至48V

o使用跳線，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器都可以使用一個(gè)電源

。SmartFusion

雙馬達(dá)控制套件包括：對(duì)于此演示設(shè)計(jì)，SmartFusion雙電機(jī)控制套件隨附以下內(nèi)容：

?SmartFusion評(píng)估套件板

?Trinamic TMCM-AC-840子板套件（包括2個(gè)電機(jī)）

?2條USB電纜，用于編程和UART連接到工作站

?MicrosemiLibero?軟件工具鏈

?FlashPro編程軟件

?1個(gè)電源單元

對(duì)于每個(gè)電機(jī)塊（步進(jìn)或BLDC），您需要一個(gè)單獨(dú)的電源單元

–僅使用一個(gè)電源，一次只能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)

圖3。BLDC和逐步馬達(dá)演示設(shè)計(jì)基本原理

圖4。SmartFusion雙馬達(dá)控制套件外形圖：

上：SmartFusion評(píng)估板；下：TMCM-AC-840馬達(dá)控制子板

圖5.TMCM-AC-840控制馬達(dá)子板電路圖（1）

圖6.TMCM-AC-840馬達(dá)控制子板電路圖（2）

圖7.TMCM-AC-840馬達(dá)控制子板電路圖（3）

圖8.TMCM-AC-840馬達(dá)控制子板電路圖（4）

圖9.TMCM-AC-840馬達(dá)控制子板電路圖（5）

圖10.TMCM-AC-840馬達(dá)控制子板電路圖（6）

圖11.TMCM-AC-840馬達(dá)控制子板PCB布局圖

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