1. 前言
電動(dòng)工具是指一種運(yùn)用小容量電動(dòng)機(jī)或電磁鐵，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作頭的手持式或可移式的機(jī)械化工具，如電鉆、電鋸、切割機(jī)等。按照精度和使用領(lǐng)域的不同，電動(dòng)工具大致可分為工業(yè)級(jí)、專業(yè)級(jí)和通用級(jí)三類。
隨著全球制造業(yè)的不斷發(fā)展，在智能化、自動(dòng)化的背景下，全球電動(dòng)工具行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模也隨之不斷增長(zhǎng)。據(jù)資料顯示，2021年全球電動(dòng)工具行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)290億美元，同比增長(zhǎng)6.62%。 其中北美和歐洲地區(qū)是全球最主要的電動(dòng)工具需求市場(chǎng)，2021年占比合計(jì)超80%。具體來(lái)看，2021年北美地區(qū)占比達(dá)43.8%，歐洲地區(qū)占比達(dá)37.6%，亞太地區(qū)占比達(dá)18.6%。
隨著近年來(lái)我國(guó)房地產(chǎn)及制造業(yè)的快速發(fā)展，使得市場(chǎng)對(duì)電動(dòng)工具的需求不斷增加，推動(dòng)了我國(guó)電動(dòng)工具市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)。據(jù)資料顯示，2021年我國(guó)電動(dòng)工具行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1873億元，同比增長(zhǎng)15.19%，預(yù)計(jì)到2022年市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至2158億元，目前中國(guó)已成為全球電動(dòng)工具生產(chǎn)制造大國(guó)，2021年國(guó)內(nèi)電動(dòng)手提式工具產(chǎn)量達(dá)2.7億臺(tái)，同比增長(zhǎng)22.87%。
資料來(lái)源：電動(dòng)工具市場(chǎng)白皮書(shū)
隨著電動(dòng)工具從工業(yè)等專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域逐步向民生領(lǐng)域的發(fā)展，小型化、智能化和無(wú)繩鋰電池化是電動(dòng)工具行業(yè)今后的主要發(fā)展趨勢(shì)，行業(yè)需要更緊湊、更省電、更高效和更經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)工具控制方案。
本次發(fā)布的方案是基于廣芯微低功耗32位MCU芯片UM3213A開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)，UM3213A采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，主頻32MHz，內(nèi)置64KB閃存，支持1.8~5.5V寬電壓工作范圍，支持3路互補(bǔ)PWM輸出，內(nèi)置1路運(yùn)放和3路比較器，支持8通道12位1MspsADC轉(zhuǎn)換器、多路UART、SPI，I2C等豐富外設(shè)接口，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點(diǎn)。芯片支持9路PWM和1路CAN總線，提供35個(gè)GPIO。
UM3213A芯片資源總覽
2.方案速覽
2.1方案特點(diǎn)：
1.可實(shí)現(xiàn)低速大負(fù)載啟動(dòng)，帶載運(yùn)行能力強(qiáng)
2.內(nèi)置3路比較器快速直接獲取反電勢(shì)信號(hào)，節(jié)省成本且更高效可靠
3.無(wú)極調(diào)速+防飛車(chē)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案，可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用
4.內(nèi)置比較器做硬件過(guò)流保護(hù)，快速又安全
5.支持欠過(guò)壓、欠過(guò)溫、欠過(guò)流、超速等保護(hù)，大幅度縮減開(kāi)發(fā)周期
6.PWM支持異常情況緊急停機(jī)保護(hù)機(jī)制，有效防止功率元器件損壞
7.防抄板設(shè)計(jì)，防止eFlash中程序被盜取
8.內(nèi)部集成電機(jī)控制專用單元，減少外圍電路，節(jié)省布板空間
9.高集成、高性能、低成本，成熟的電機(jī)控制算法，快速匹配不同的電機(jī)
2.2工作原理簡(jiǎn)介
本方案采用120°導(dǎo)通型，即二二導(dǎo)通模式控制BLDC電機(jī)，電機(jī)每隔60°換相一次，電機(jī)正常工作任意時(shí)刻都有兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通，且每個(gè)器件開(kāi)通120°電角度，而換相之前需要知道轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，本方案采用三路內(nèi)置比較器對(duì)相電壓和三相中性點(diǎn)電壓比較得到轉(zhuǎn)子扇區(qū)，通過(guò)提前換相從而使轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，工作原理框圖如下。
原理框圖
本方案采用方波二二導(dǎo)通方式驅(qū)動(dòng)，每次只給三相電機(jī)中的兩相通電：一相連接到電源的 正極，一相連接到電源的負(fù)極，一相浮空。電流從電源的正極流入，進(jìn)入其 中一相，并從電機(jī)的另一相流出到電源的負(fù)極。電流流向如下圖所示
在一個(gè)電周期 360° 電角度內(nèi)，共有六種不同的控制信號(hào)控制功率管開(kāi)通關(guān)斷，使得定子電流有六種狀態(tài)，即定子繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)有六種狀態(tài)，每步持續(xù)60°拖動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其合成磁勢(shì)如下如圖所示。
如下圖 ，F(xiàn)s為定子合成磁動(dòng)勢(shì)，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)，由下圖可知定子合成磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)往往在60°到120°之間，但是這并不是最大輸出扭矩的角度，根據(jù)磁場(chǎng)力矩最大原理，F(xiàn)s和Fr為90°時(shí)扭矩輸出最大。
為了輸出最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)至關(guān)重要。每次換相時(shí)，先檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)時(shí) 定子合成磁動(dòng)勢(shì)超前轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)120°電角度，當(dāng)轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)30°電角度后再次進(jìn)行換相，此時(shí)輸出扭矩最大，根據(jù)二二導(dǎo)通原理和星型結(jié)構(gòu)電機(jī)結(jié)構(gòu)可知，假設(shè)一對(duì)極電機(jī)，每相包含兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)，三相即6個(gè)過(guò)零點(diǎn)，故電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置每變化 60° 電角度進(jìn)行一次換相控制 。示意圖如下所示
3.硬件模塊介紹
3.1 UM3213A電動(dòng)工具PCB設(shè)計(jì)圖和實(shí)拍
3.2 PWM調(diào)制輸出
3路互補(bǔ)PWM輸出支持各種PWM調(diào)制方式，GTIMER0/1/2為3個(gè)16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器有兩路PWM輸出和1路輸入捕獲，可產(chǎn)生帶死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM。
3.3 反電勢(shì)采樣電路
芯片內(nèi)部三路比較器采樣，3路獨(dú)立比較器，具有軌到軌輸入的遲滯比較器，三路比較器的IN+接入三相反電勢(shì)采樣點(diǎn)上，另IN-一起接入反電勢(shì)采樣電路的公共點(diǎn)上。
注：C24/C25/C26濾波電容根據(jù)電機(jī)屬性及實(shí)際的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行調(diào)整,建議100pf或1uf
3.4 電流采樣電路
適用于電動(dòng)工具，通常母線電流在15-20A，故使用1毫歐采樣電阻，配置3.3V基準(zhǔn)電壓，20倍放大倍數(shù).
注：此運(yùn)放可使用MCU內(nèi)部集成運(yùn)放
3.5 硬件電流保護(hù)電路
a. 使用配置運(yùn)放輸出OP_P與OP_N電壓比較，實(shí)現(xiàn)硬件剎車(chē)。OP_N電壓外部配置（R15與R18分壓值為比較電壓）。
b. 可使用外部比較器電流輸入至Gtimer0/1/2 任意一路BK配置口。
注：內(nèi)置的這一路運(yùn)放只能運(yùn)放或比較二選一。本方案將內(nèi)部運(yùn)放做比較器使用，此圖只展示原理。
3.6 母線電壓采樣
分壓比根據(jù)系統(tǒng)電壓值進(jìn)行調(diào)整，R49/C32組成RC濾波電路。
3.7 溫度采樣（NTC）
NTC電阻與R47分壓，經(jīng)過(guò)C30濾波輸入至MCU ADC采樣口實(shí)現(xiàn)MOS 溫度采樣。通過(guò)CON1口連接BMS板上NTC， ADC采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)電池包過(guò)問(wèn)保護(hù)。
4.軟件介紹
4.1軟件架構(gòu)
此方案整個(gè)軟件工程分為應(yīng)用層、System、Common及電機(jī)庫(kù)。應(yīng)用層包含系統(tǒng)初始、系統(tǒng)配置、CLI引擎、通用任務(wù)、電機(jī)控制API、電機(jī)任務(wù)等。System層包含Startup啟動(dòng)、中斷服務(wù)、時(shí)鐘、睡眠與低功耗等。Common層包含消息隊(duì)列、軟定時(shí)器、延時(shí)/串口輸出、實(shí)用工具等。電機(jī)庫(kù)包含PID 環(huán)路、換相函數(shù)處理、芯片驅(qū)動(dòng)庫(kù)等。
4.2 外設(shè)功能
4.3 電機(jī)控制算法概要
4.4 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)
電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分為 INIT、 READY、 RUN 、STOP、 BRAKE、 FAULT 6個(gè)狀態(tài)：
1.INIT主要處理電機(jī)及功能參數(shù)初始化；
2.READY主要等待電機(jī)運(yùn)行指令；
3.RUN主要是電機(jī)運(yùn)行處理函數(shù)；
4.STOP主要是處理停機(jī)；
5.BRAKE主要處理剎車(chē)；
6.FAULT主要處理停機(jī)或剎車(chē)，處理故障狀態(tài)，判斷是否重啟。
4.5 分時(shí)事件處理
定時(shí)中斷計(jì)數(shù)，獲取不同時(shí)間標(biāo)志位，在主循環(huán)中判斷時(shí)間標(biāo)志位運(yùn)行不同時(shí)間事件處理函數(shù)。
1.與PWM周期同步處理的事件有電流保護(hù)、PWM的調(diào)節(jié)；
2.每1ms處理的事件有按鍵的狀態(tài)機(jī)、計(jì)時(shí)功能及指示燈的報(bào)警；
3.每5ms處理的事件有電壓保護(hù)、速度閉環(huán)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)；
4.每10ms處理的事件有mos溫度保護(hù)；
4.6 保護(hù)措施
5.測(cè)試波形
5.1 運(yùn)行過(guò)程中相電壓波形
5.2 全速運(yùn)行時(shí)相電壓波形
6.CLI 引擎
為用戶提供配置、管理以及維護(hù)等操作，是技術(shù)人員調(diào)試和維護(hù)設(shè)備的重要手段。使用超級(jí)終端、Tera Term或SecureCRT通過(guò)UART接口登錄系統(tǒng)并使用命令進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)管理。
7.通用的開(kāi)發(fā)環(huán)境如下：
7.1 硬件環(huán)境：
MCU平臺(tái)：UM3213A
調(diào)試器：JLINK V9隔離仿真器
電機(jī)類型：PMSM/BLDC
7.2 軟件環(huán)境
操作系統(tǒng)：Windows
編譯器：Keil MDK V5.25
編譯語(yǔ)言：C
關(guān)于廣芯微
廣芯微電子（廣州）股份有限公司專注于低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片的研發(fā)、設(shè)計(jì)與銷(xiāo)售，為客戶提供面向個(gè)人與家庭、工業(yè)與商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,以低功耗為差異化的8位/32位微控制器芯片、無(wú)線射頻收發(fā)器芯片、數(shù)字電源管理芯片和傳感與信號(hào)調(diào)理專用芯片等。
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