全球半导体解决方案供应商瑞萨电子（TSE：6723）宣布面向电机控制应用领域发布三个全新MCU产品群，其中超过35种来自于RX和RA家族的新产品。这些新款MCU扩充了瑞萨包括多种MCU与MPU、模拟和电源解决方案、传感器、通信设备、信号调节器等的卓越电机控制产品组合。

瑞萨推出两款基于Arm® Cortex®-M的RA家族的全新MCU产品群。其中，RA4T1产品群可提供100MHz性能，以及高达256KB的闪存和40KB的SRAM；全新RA6T3产品群工作频率为200MHz，同时提供256KB的闪存和40KB的SRAM。两个全新产品群均以电机控制应用为目标应用，具备一系列卓越特性与功能，包括用于加速的三角函数单元（TFU）、带有集成PGA的先进ADC，以及包括CAN FD在内的多种通信接口选择。瑞萨灵活配置软件包（FSP）均可支持这些新产品，可轻松移植其它RA产品的设计。

此外，瑞萨还推出RX产品家族的全新RX26T产品群，其工作频率为120MHz，具有高达512KB的闪存和64KB的SRAM。它们不仅可支持5V电源，提供高抗噪能力和控制精度，而且还能够提供TFU、片上定时和中断控制功能。使用热门产品RX24T MCU的用户，可轻松将其设计扩展至全新的RX26T产品，以充分发挥现有设计软件的优势，同时实现性能与控制效率的双重提升。

瑞萨在嵌入式电机控制处理领域的卓越地位

瑞萨早在十多年前就推出了专为电机控制而设计的MCU，目前已向全球数千家用户交付超过11亿颗嵌入式电机控制处理器。除了RX和RA产品家族以外，瑞萨还提供16位RL78 MCU和64位RZ MPU，并面向电机应用进行优化。2022年，瑞萨面向电机控制推出业界首款基于RISC-V的ASSP。

瑞萨电子高级副总裁兼MCU事业部总经理Roger Wendelken表示：“多年来，世界领先的家用电器、工业设备，以及楼宇和办公自动化供应商都选择采用瑞萨技术进行相关的电机控制处理。我们不仅打造了业界最广泛的产品阵容以及综合全面的技术组合，同时借助出色的研发能力交付各类完善解决方案，涵盖用户所需的一系列关键功能。此外，对于电机控制而言，瑞萨电子的产品品质亦是有口皆碑。”

富士经济高级研究员山西孝信表示：“随着新兴国家工业化和机械自动化技术的不断进步，工业电机市场预计将强势增长。值得一提的是，机器人、电子元件制造设备和电动工具等领域也存在着巨大的市场潜力，这都将为MCU产品的广泛采用提供助力。我们期望，瑞萨能够凭借可满足不同用户需求的多样化电机控制MCU，为该行业的加速发展贡献一臂之力。”

所有这些新款MCU均支持瑞萨灵活电机控制开发套件，能够轻松评估采用永磁同步电机（无刷直流电机）的电机控制，并且还可支持瑞萨电机工作台（Renesas Motor Workbench）开发工具。通过提升电机控制的效率，瑞萨MCU可在终端系统中节约能耗。

RA4T1产品群MCU的关键特性

• 100MHz Arm® Cortex®-M33 CPU内核，支持TrustZone®技术

• 128KB至256KB闪存，以及40KB SRAM

• 包括32至64引脚封装

• 集成三角函数单元作为硬件加速器

• 集成先进模拟功能，包括12位ADC、可编程增益放大器、高速比较器，和12位DAC

RA6T3产品群MCU的关键特性

• 200MHz Arm® Cortex®-M33 CPU内核，支持TrustZone®技术

• 256KB闪存和40KB SRAM

• 包括32至64引脚封装

• 集成先进模拟功能，包括12位ADC、可编程增益放大器、高速比较器，和12位DAC

• 集成多种通信选项，包括USB 2.0全速设备、CAN FD、I3C、SCI，和SPI

RX26T产品群MCU的关键特性

• 业界领先的实时性能：120MHz主频，零等待闪存访问

• 支持5V电源：高抗噪能力及高模拟输入动态范围

• 在单芯片上通过FOC和PFC控制支持双电机：120MHz PWM（2个三相互补通道+2个单相互补通道），三个12位ADC

• 电路板小型化/BOM缩减：内置高速片上振荡器，小型QFN封装（48-HWQFN：7mm×7mm，64-HWQFN：9mm×9mm）

• 高度安全性：双区闪存可在不关闭系统的情况下重写数据；可信安全IP-Lite降低信息泄漏风险

• 高速通信：新一代CAN FD和I3C基本支持

• 配备120MHz的最新CPU内核RXv3（721CoreMark）

成功产品组合

瑞萨针对全新MCU设计了多款“成功产品组合”

高功率、紧凑型BLDC电机控制设计采用RA4T1 MCU和RAA227063智能栅极驱动器IC来控制3相无传感器BLDC电机；

带有图腾柱交错式PFC的数字电源转换包含RX26T MCU与RAA223011 700V AC/DC稳压器以及其它瑞萨组件；

电动自行车系统解决方案将RA6T3 MCU与电源和BMS器件相结合，为任何类型的电动自行车提供完整解决方案。

随着MCU功能和性能的提高，从单电机/单MCU到多电机/单MCU进行控制，实现了系统的小型化和系统成本的降低。尤其是在洗衣机和空调等领域，这种趋势非常明显，现在几乎所有的产品都是多电机控制。本期将介绍使用可多电机控制的RX72T对4个电机进行控制的演示。

柏崎 直人 Sr Staff Product Marketing Specialist

不同的电机控制方式，MCU所需的处理性能和功能资源也不同。本期演示采用了无传感器矢量控制。无传感器矢量控制是一种高效且可降低传感器BOM成本的控制方法，但由于需要进行电机角度估计和矢量控制的运算，因此MCU需要更高的CPU处理性能。RX72T为实现4电机控制，采用了RX第三代CPU内核“RXv3”（6.01 CoreMark/MHz）和三角函数加速器（TFU），具有同类最快的CoreMark性能，能够快速执行矢量控制所需的运算和处理。优点是还具有互补PWM定时器和ADC等电机控制所需的功能，以实现4个电机的控制。

4电机控制中使用的功能

在本演示中，将使用以下外围功能来实现4电机控制：

使用RX72T进行4电机控制的示意图

4电机控制的要点

在本期演示中，通过无传感器矢量控制对最多4个电机进行速度控制和独立驱动，但这需要检测每个电机的电流并进行相应的PWM输出。该电流检测时序和进行控制运算的时序是多电机控制的关键，在此简要介绍。另外，本期演示采用了检测两相电流并还原三相电流的方式。

RX72T总共配备了3个ADC，本期演示将电机1和电机2的电流检测分配给单元0，电机3和电机4的电流检测分配给单元1。分配给同一单元的电机电流检测时序必须错开，因为无法同时检测电流。电流是通过分流电阻检测逆变器下臂在导通期间流过的电流，通过反向设置电机1和2、电机3和4的PWM正相和反相信号的有效电平，防止逆变器下臂的信号同时导通。因此，AD转换时序分布在PWM的峰/谷侧，从而实现各电机的电流检测。通过使用“组扫描模式”，AD转换可以在一个单元中支持两个电机的电流检测。

PWM正相反相与逆变器上下臂的关系

※电机1可以在PWM的峰侧检测电流，电机2可以在PWM的谷侧检测电流。

// 控制处理时序

接下来我们看一下整个时序，包括电机控制时序。重要的是PWM中断处理（矢量控制处理）、用于电流检测的AD转换时序和PWM输出的缓冲寄存器传输时序。

电机1和电机2与MTU定时器同步，将AD转换时序分布在峰侧和谷侧，并调整PWM周期中断的执行时序和缓冲寄存器的传输时序与之匹配。电机3和电机4使用GPT定时器，以类似于电机1/2的工作方式工作。

电机1/2各种处理时序

电机3/4各种处理时序

※由于在电机4的谷中断期间数据不更新，因此执行与电机2相同的动作。

当MTU和GPT在相同的载波频率下同时启动时，如果MTU和GPT的中断优先级相同，则从首先发生中断的一方开始依次执行中断处理。需要设置控制周期，以使这些处理时间在控制周期内。使用RX72T时，每个电机的处理时间为8[us]左右，因此在本期演示中，将电流控制周期设置为50us是没有问题的。

4电机控制的情况

电机（Electric machinery，俗称“马达”）是依据电磁感应定律，实现电能转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是产生驱动转矩，为用电器或各类机械提供动力。

电机作为工业世界的动力之源，几乎用于所有电子设备。据不完全统计，全球电力消耗的50%来自电机，尤其是工业用电中，约60%的电力被电机消耗。

电机种类繁多，应用纷繁复杂。电机与人们生活息息相关，广泛应用到吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电，以及电动自行车、电动滑板、平衡车等骑行车辆。同时覆盖发电、制造和运输等工业领域，包括泵、机床、压缩机等应用场景。而在车用电机领域，从电动车窗、天窗、后备箱，到水泵、油泵、HVAC，EV主电机，电机都发挥着重要作用。

作为动力源，电机的工作环境非常恶劣，常常需要经受热应力、机械应力、电流偏差、环境变化、自然老化等因素侵蚀而造成故障，严重甚至影响安全使用。因此，为了提升电机的性能和使用安全、延长使用寿命，人们需要不断提高对电机控制芯片的性能和品质要求。

长期以来，国内电机控制芯片市场由欧美国际大厂主导，国内企业起步较晚，市占率较低。近年来，随着国产MCU不断崛起，众多国产厂商快速成长，在电机驱动控制芯片细分领域的技术积累已颇具竞争优势。

芯海科技（股票代码：688595）作为一家专注模拟IC的半导体设计公司，凭藉“高性能ADC+高可靠性MCU”双平台驱动，持续深耕智能家居、高端消费电子、工业控制、汽车电子等应用领域，为通用市场及垂直细分应用市场提供独具竞争力的产品和解决方案。

当前，随着芯海在电机驱动控制领域的技术研发积累，持续推出基于32位MCU的电机控制应用方案，在精度、可靠性、集成度等关键技术指标上媲美业界一流厂商，且为客户提供稳定供货及本土化服务。

以下将分享几个典型的芯海科技电机控制的应用方案。

应用一、车载水泵

随着新能源汽车的蓬勃发展，采用车载电子水泵成为大势所趋。车载电子水泵通过带有电子控制驱动单元的水泵，为汽车发动机冷却系统提供智能调节散热功能，满足车辆在任何工况下的温度需求和工作性能。

一般来说，车载电子水泵的控制应用要在具备控制水泵开关、流量控制、压力控制、运转保护等功能集成上，满足汽车的高集成设计、超长续航的稳定性需求。

芯海科技CS32F036Q是一款车规级高可靠性的32位MCU，采用Arm® Cortex®-M0内核，工作频率48MHz，集成多达32K字节Flash和4K字节SRAM，一个I2C/SPI、两个USART（支持Software LIN）、专为电机控制设计的12位高速ADC和增强型定时器、六个16位通用定时器、一个32位定时器、最多支持17路PWM输出。

CS32F036Q通过AEC-Q100认证，满足车规级产品工作环境恶劣的要求，可实现单电阻无传感器FOC控制，同时提供整套FOC控制算法支持，帮助客户快速实现方案开发、产品量产。

CS32F036Q车载水泵系统框图

CS32F036Q的产品特点：

• 更宽的工作温度（-40~105℃）

• 更宽的工作电压2.0~5.5V

• 12bit 1M SPS采样频率的高速、高精度ADC，有效精度≥10bit

• ADC工作范围：2.4~5.5V，-40~105℃

• ±1%精度的低温漂时钟

• 低漂移基准电压及±2℃的温度传感器

CS32F036Q系统框图

应用二、电动自行车

近年来，随着“新国标”的落地，双轮电动车在智能化、强性能、安全性等方面不断演进，带动了新一轮的换车高峰。电动车控制器作为双轮电动车的核心部件，迎来新的增长。

芯海科技32位MCU CS32F031与CS32F103，作为电动车控制器的主控MCU芯片，很好地满足了双轮电动车、电动三轮、共享电单车的高温宽、高耐潮的应用环境，以及PWM、ADC等高可靠性的功能要求。

CS32F031采用Arm® Cortex®-M0内核，主频高达48MHz，内置1个功能丰富的高级定时器、1个10通道1Msps采样率的高精度ADC、6个16-bit定时器（支持霍尔捕获）。CS32F031采用5V供电，抗干扰能力强，成本更优。

CS32F103采用ARM-Cortex M3内核，主频高达72MHz, 支持单周期乘法和多周期硬件除法运算, 内置1个功能丰富的高级定时器、2个共计16通道1Msps采样率的高精度ADC、3个16-bit定时器（支持霍尔捕获），支持7通道DMA传输，提供LQFP48/64/100等主流封装形态。

CS32F031与CS32F103两款产品均可满足有感FOC控制的所有需求。

芯海科技CS32F031电动自行车系统框图

CS32F031的产品特点：

• 最高48MHz工作频率

• 32K/64 Kbytes的flash 存储器, 192B Flash 数据存储, 4K/8Kbytes的SRAM，带硬件奇偶校验

• VDD 电压: 2.0 to 5.5V

• 内部8MHz/14MHz RC高速振荡器，典型情况下1%精度，内嵌PLL

• 1路16bit高级控制定时器（TIM1），每路有6个带死区控制的PWM输出通道

• 5个16位通用定时器，支持脉冲宽度测量和PWM波生成

• 1路12-Bit高精度ADC，采样率高达1Msps，10个输入通道

• 2个 USART, 支持: ISO7816接口, LIN主从功能, IrDA传输编解码; 2个I2C; 2个SPI

• 多达39个GPIO

CS32F031系统框图

应用三、变频冰箱

近年来，随着国家能耗标准的不断提高，高能效变频家电成为主流应用。变频冰箱作为大白电的旗舰应用，其市场占比不断提升。随着变频控制技术的持续发展，高性价比的32位MCU芯片作为变频冰箱的核心控制器件，其市场渗透率也随之稳步上升。

芯海科技CS32F030系列MCU，可实现单电阻无传感器FOC控制，同时提供整套FOC控制算法支持，帮助客户快速实现方案开发、产品量产。该系列提供LQFP32封装，可大大提供产品良率。

CS32F030变频冰箱系统框图

芯海科技基于CS32F030K6T6设计的变频冰箱应用方案具备如下特性：

• 单电阻无感矢量控制

• 驱动算法成熟，电机适配性强，匹配过主流压缩机平台（东贝、加西贝拉、恩布拉科）

• 启动算法成功率100%

• 支持过流、过压、缺相、堵转等保护，延长产品使用寿命

• 高级控制算法支持：谐波抑制、转矩补偿等

应用四、变频高速风筒

变频高速风筒以转矩脉动小、效率高、噪声小、动态响应快而受到市场的广泛认可。

面对新的市场趋势，芯海科技推出高达12万转的高速风筒应用方案。方案采用Arm® Cortex®-M3内核的MCU主控芯片CS32F103，搭配芯海自研的智能IPM模块CSPM405。在软件方面，采用无传感器FOC矢量控制，搭配公司最新电机控制算法，可实现速度扭矩双闭环控制。

基于芯海科技“CS32F103+CSPM405+最新算法”的高速风筒方案具备如下特征：

• 三电阻无感FOC控制

• 最高转速12万转

• 支持速度转矩双闭环控制

• 支持过流，过压，短路保护

• 良好的EMI/EMC性能

芯海科技CS32F103高速风筒系统框图

CS32F103的产品特点：

• 最高72MHz工作频率

• 支持单周期乘法和硬件除法

• 64K/128KBytes的Flash存储器，20KBytes的SRAM

• 内部8MHz RC高速振荡器，内部40kHzRC低速振荡器，支持4~16MHz晶体振荡器

• 锁相环(PLL),最高支持72MHz

• 3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入

• 1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器

• 2路12-Bit高精度ADC，采样率高达1Msps，16个输入通道

• 7通道DMA控制器, 支持的外设包括:SPIx,I2Cx,USARTx,TIMx,ADC

• 3个USART,2个I2C接口,2个SPI接口,1个CAN 2.0B接口,1个USB2.0接口

• 丰富的GPIO（LQFP48:37个，LQFP64:51个，LQFP100: 80个）

CS32F103系统框图

不管是工业自动化领域，还是汽车领域，抑或是生活家电领域，各个终端市场对电机性能都提出了更高的要求。它们不仅需要电机能够做到高效率和多功能控制，还需要电机在追求高转速的同时实现低噪音低振动的控制效果。在与日俱增的高标准性能要求下，高性能成了电机芯片竞争的关键。

纵观整个电机控制芯片市场，从低成本通用伺服驱控到中高性能通用伺服驱控，长于控制的MCU单芯片方案都是最常见且最受欢迎的，而且现在VC/FOC功能几乎已成为电机MCU的标配，是体现控制能力的核心竞争力。虽然严格来说，VC和FOC二者概念上是有差异的，但在大多数场景里，二者指的是同一种控制方法。VC矢量控制（Vector Control）将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最优方法之一。VC矢量控制不仅解决了自然坐标系上实现电机速度、电流闭环负反馈控制难的问题，而且保证了优良的速度、转矩输出性能，在工控、汽车、家用、3D打印等行业得到了迅速的发展，成为主流电机控制的基本架构，其控制原理如下图所示：

图1 VC原理

如上图所示，VC矢量控制的核心源自于闭环负反馈，因此其带宽是电机控制产品最重要的衡量指标之一。具体来说，高带宽能够带来更快的指令响应时间和更优异的高频扰动抑制能力，这种能力最终体现在电机层面上的是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和电机抖动。

而代码执行时间决定了带宽，是电机控制产品不可逾越的指标之一，这也造成了目前市场上电机控制产品性能输出有差异的现象。归根结底，电机控制的差异取决于芯片性能。其限制因素特别体现在以下三个方面：

• 主控芯片主频限制：芯片主频不够高，无法做到高速运算，以及提升带宽；

• 外环代码执行限制：内环代码通过原厂提供的硬件化方法可以执行很快，但是外环代码执行依旧不够快；

• 代码硬件化限制：芯片所有代码硬件化，却产生了开发难以及无法做一些常见电机控制算法等问题。

因此想要实现更优秀的控制性能，电机控制MCU的选择非常关键。上海先楫半导体已经量产的RISC-V内核HPM6700/6400系列芯片抓住了上述主要矛盾，通过提升主频来解决电机控制行业的痛点，得益于RISC-V本身的简洁性和模块化设计，CPU能运行在更高的频率，带来更高的性能。以HPM6700/6400系列芯片为例，参数如下图所示：

图2 先楫HPM6700/6400系列芯片

HPM6700/6400系列高性能MCU展示了先楫半导体高性能芯片的研发实力，HPM6700/6400系列主频高达816MHz，不仅能够解决上文提到的电机控制性能的三大限制，而且契合现在电机多核驱控一体的发展趋势。HPM6700/6400系列还为电机系统提供了精度达2.5ns的4组共32路PWM输出以及4个正交编码器接口和4个霍尔传感器接口，完美适配高性能电机控制和数字电源运动控制系统。

< 解决方案分享>

先楫HPM6000系列芯片的1us电流环 

图3 案例时序

案例使用先楫HPM6000系列芯片—HPM6400系列与HPM6300系列，采用图3所示的电流环时序，分别使用HPM6400系列与HPM6300系列芯片实测VC矢量控制中的电流环执行时间。具体而言：从提升电流内环带宽的角度出发，将图1中的VC结构划分为外环（位置速度环）、内环（电流环），如图4所示：

图4 等效VC结构

在VC矢量控制中，由于采用了坐标变换，dq轴电流在稳态情况下都是直流给定，而只在加减速或者突加减负载的时候，速度环会等效输出一个阶跃指令，电流环的带宽就是电流环能够以多快的速度去响应这个指令，带宽越大响应越快。所以说电流环执行时间直接决定了电流环的带宽，是电机控制产品必须考量的指标。

结果，先楫半导体已量产系列芯片实测的电流环执行时间如下图所示： 

图5 HPM6400、6300系列芯片电流环执行时间实测数据

如图5所示，HPM6300系列芯片的电流环执行时间接近1us，HPM6400系列电流环执行时间更是控制在1us以内，该优势不仅能够提升带宽，更是说明了先楫高性能芯片能够带来高速运算能力，实现复杂电机控制算法（如多电机同步、参数辨识、SVC（Senseless Vector Control）、谐波注入等）与电流环的同步，甚至是以更高的频率执行。在高性能先楫HPM6000系列芯片的加持下，电机产品能够不失精度地展现出更优异的控制性能。

高性能电机控制 

HPM6000系列芯片介绍

HPM6700/6400系列为HPM6000系列的旗舰产品，采用RISC-V内核(*67为双核，64为单核），主频达816MHz，凭借先楫半导体的创新总线架构、高效的L1缓存和本地存储器，创下了高达9220CoreMark和高达4651 DMIPS 的MCU性能新纪录。

除了高算力RISC-V CPU，HPM6700/6400系列产品还创造性地整合了一系列高性能外设，包括支持2D图形加速的显示系统、高速USB、千兆以太网、CAN FD等通讯接口，高速12位和高精度16位模数转换器，面向高性能电机控制和数字电源的运动控制系统。

HPM6300系列是HPM6000系列的另一款力作，采用单核32位RISC-V处理器，主频超过600 MHz，性能超过3390CoreMark和1710 DMIPS。同时，HPM6300系列支持双精度浮点运算，模拟模块包括16位模数转换器，12位数模转换器和模拟比较器，配以多组纳秒级高分辨率PWM，为电机控制和数字电源应用提供强大硬件支持。