一种基于RISC-V架构的永磁同步电机驱动微控制器

一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器
技术领域
1.本发明属于数字集成电路设计领域，尤其涉及mcu微控制器设计。


背景技术：

2.在现今经济社会发展如此迅速的背景下，工业活动和社会生活中对电机的需求日益增加，并且对电机性能的要求也呈现逐年增长的趋势，在这种趋势下下直流电机慢慢的取代交流电机成为目前电机的主流，尤其是pmsm永磁同步电机实现了普及应用。在如今科技发展日新月异的时代背景下，pmsm的各种控制策略也如雨后春笋般涌现了出来，这些控制策略的出现使得高性能控制技术理论日趋完善。
3.同时，随着半导体科技的发展进步，与电机控制相关的电力电子技术和控制芯片的性能得到了快速地提升。其中，磁场定向控制系统是驱动电机的一种有效的方式，这种控制系统需要测量转子的位置和速度信息。通常情况下，测量方法采用的是机械式位置传感器。这种方法虽然可行，但机械式传感器的安装会给电机本体和控制系统带来更多的问题。电机本体由于加装机械式传感器，会使电机本体占用更多的空间使得电机的体积变大。机械式传感器损坏后，整个电机控制系统就会崩溃，为此控制系统不易维护。
4.在实际的工业生产中，有很多的使用无机械式传感器测量转子位置的方法，经常使用的方法有卡尔曼滤波器法、模型参考自适应方法、滑模观测器法和磁链估计法等。其中滑模观测器(sliding mode observer，简写为smo)巧妙的将观测器理论和滑模变结构控制理论结合起来，该方法是以滑模变结构为主要的理论基础。鲁棒性强是滑模观测器的显著特性，同时滑模观测器独特之处还在于它的控制系统中存在滑模变结构，这种特殊的结构方式可以充分利用滑模变结构鲁棒性强的特点，并将这种特点应用到了观测器中。滑模变结构和通常的连续性控制方法不一样，它是非线性的。另外该结构有比较特殊的滑模控制方式，它可以使系统的状态按已经设置好的相轨迹滑到期望点。由于滑模变结构给定的相轨迹与控制对象的变量以及外部干扰的变化无关，因此，该算法有响应速度快和系统内部参数和外部干扰相互独立的特点，因而可以保证系统是渐进稳定的。
5.risc-v是一个基于精简指令集(risc)原则的开源指令集架构(isa)。与大多数指令集相比，risc-v指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售risc-v芯片和软件。虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要意义，因为其设计使其适用于现代计算设备(如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统)。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件，这解决了新指令集通常的弱点。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器,旨在设计一种用无位置传感器方法代替机械式传感器的foc控制系统，以解决传统pmsm永磁同步电机控制的传感器不稳定、易损坏而导致系统崩溃，精度低和鲁棒性低，受环境条件影响和
限制明显以及效率低下等技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
8.本发明的微控制系统使用基于risc-v指令集架构的开源内核，相对于传统cisc指令集架构，risc-v架构指令简单，运算速度更快，且可靠性更高，并且对于芯片面积的利用更加充分。
9.本发明采用axi和apb作为微控制器系统的双级总线，axi总线作为高速总线与系统内的内核等高速模块，如与中央处理器和foc协处理器相连。apb作为低速总线则与gpio、uart和adc等速度比较低的外设模块相连，两者搭配，使系统的性能、功耗和面积达到一个较好的平衡。
10.在电机控制策略方面，本发明采用磁场定向控制(field-oriented control，简称foc)方法。该方法是一种利用变频器(vfd)设备来控制三相电机定子中电流的技术，利用调整变频器的输出频率和电压的幅值及相位，来控制电机的输出，在整个扭矩和速度范围内都具有良好的控制能力。该算法的主要思想为：首先测量得到转子的位置，这样就能知道转子磁场的方向；根据转子位置可以计算出期望的定子磁场矢量；最后可以通过控制三相电流合成期望的定子磁场矢量它的主要特点就是将三相交流电转换成两相直流电，然后再通过控制这两个直流电来输出控制电机运行的电流。这种控制方法中输出的电流和电压都是矢量，所以这种控制方式也称作矢量控制。相对于其他驱动控制方式，这种控制方式使得电机驱动更加有效且流畅平稳。
11.本发明还采用无位置传感器的方法获取转子位置信息和转速信息。无位置传感器方法是利用电机中的相关参数来测量转子的位置信息，使得电机控制系统精度更高、开销更低、尺寸更小、系统更加稳定，通过这种方式可以解决传统机械式传感器控制系统一旦损坏则不易维护、成本高的问题。
12.具体地，本发明采用滑模观测器法进行获取转子位置和转速信息。相对于其他无位置传感器控制方法，滑模观测器的显著特性是鲁棒性强。滑模观测器独特之处在于它的控制系统中存在滑模变结构，滑模变结构和通常的连续性控制方法不一样，它是非线性的。该结构有比较特殊的滑模控制方式，它可以使系统的状态按已经设置好的相轨迹滑到期望点。由于滑模变结构给定的相轨迹与控制对象的变量以及外部干扰的变化无关，因此，该算法有响应速度快和系统内部参数和外部干扰相互独立的特点，可以保证系统是渐进稳定的。滑模变结构算法简单是该算法的另一大优点，所以该算法在工程上很容易实现。
13.在电机逆变器控制方面，本发明使用空间矢量脉宽调制，即svpwm的方法。这种控制方法主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。为了实现svpwm算法使逆变器输出对称的正弦波电流，这种控制方式主要的实现流程是：判断参考电压矢量的扇区，以此来判断使用哪两个基本电压矢量来合成参考矢量；确定基本电压矢量的作用时间，以此来判断准确的合成按圆形轨迹旋转幅值不变的参考矢量；确定扇区的矢量切换时刻，目的是使参考矢量的旋转更平稳。对比之下，传统的spwm方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而svpwm方法将逆变系统和电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制，并且能够更好地控制电机的运转过程，提高能量的转化效率。
14.进一步，所述微控制器在部分模块设计时采用ip复用技术，如gpio、uart和adc模块，重复使用已经过设计和验证的ic模块，这种技术缩短了研发周期，节约人力物力，提高系统的设计效率以及可靠性，并且对于工艺技术可以更好地进行利用。
附图说明
15.图1为本发明所实现的永磁同步电机驱动微控制器的整体结构示意图；
16.图2为本发明所实现的永磁同步电机驱动微控制器的foc控制电路模块结构示意图；
17.图3为本发明所实现的永磁同步电机驱动微控制器foc算法中滑模观测器观测出电机转速和角度的实现框图；
18.图4为本发明所实现的永磁同步电机驱动微控制器的整体实现流程。
具体实施方式
19.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器做进一步详细的描述。
20.参照图1，本发明设计的中央处理单元基于risc-v指令集架构实现，该指令集具有模块化的特点，将不同的部分以模块化的方式组织在一起，并通过一套统一的架构来满足各种不同的应用场景，这种模块化是x86与arm架构所不具备的。此外，risc-v指令集架构指令数目少，受益于短小精悍的架构以及模块化的特性，risc-v架构的指令数目非常的简洁，基本的risc-v指令数目仅有40多条，加上其他的模块化扩展指令也总共只有几十条指令。此外risc-v架构还具有开源、成本低和综合性能强等特点。
21.axi总线上挂载的是性能和频率较高的模块，即内核模块和foc协处理器，总线上的读写操作由内核或foc协处理器发起，从设备进行响应。数据存储器、指令存储器和boot rom作为片内存储器与内核模块相连，内核可对它们直接进行指令的读取和数据的访存。内部存储器采用哈弗结构，程序存储器和数据存储器独立编址、独立访问，采用不同的总线，从而提供了较大的存储器带宽，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的数字信号处理性能。
22.对gpio控制器、spi控制器、uart、i2c、adc等ip核进行设计或修改，使其符合apb总线从设备接口协议，并将它们连接到apb总线上；将dpwm模块连接在gpio上，使得微控制器能够通过控制gpio模块的输出达到控制dpwm输出波形占空比的目的。使用adc模块将时间上连续变化的模拟信号转换为离散变化的数字信号，将数字信号量输入foc协处理器器模块进行运算和传输。
23.本发明设计的foc协处理器模块主要用于foc控制电路中的变量运算和算法实现的特定任务。foc协处理器主要包含乘法器、除法器、cordic算法单元和pid算法单元，用于foc控制电路中的坐标变换模块、svpwm模块、pid控制器模块和滑模观测器模块的实现。协处理器的设计可以减轻中央处理单元的工作任务和压力，有较强的针对性，提高任务的执行效率，进而提升微控制器整体的处理运行效率，更有利于缩小内核面积、扩大计算规模、降低整体功耗。
24.参照图2，本发明中foc控制系统电路将分成四个部分来设计：第一部分是坐标变
换模块的设计，使电机的强耦合特性得到解耦。在他激式直流电机中，产生磁场的励磁电流和产生转矩的转矩电流可以分别独立控制。磁场定向控制技术就是基于这种思想而产生控制作用的，磁场定向控制算法运行时，由于励磁电流和转矩电流互相垂直，因此这两个电流之间互相并不会产生影响。正是由于这种作用，当控制转矩时，励磁电流不会受影响，同样的当控制励磁电流时，转矩电流不会受影响，因此电机有快速的转矩响应。永磁同步电机复杂的强耦合特性，是电机控制中一大难点，因此本发明使用坐标变换，将转子磁链进行了解耦，分解为了转子旋转的径向和切向这两个方向的变量。坐标变换通常包含静止坐标变换(clarke变换)和同步旋转坐标变换(park变换)，clarke变换的作用是将静止的abc三相坐标系转换成两相的α-β静止坐标系，而park变换的作用是从α-β坐标系到d-q坐标系；
25.第二部分是空间矢量脉宽调制算法模块的设计，该模块的设计将会使控制系统产生一定序列的脉冲信号进而驱动逆变器产生近似的正弦交流电。因为永磁同步电机是利用交流电供电，而要想使上一部分中得到的励磁电流和转矩电流这两个直流分量作用到永磁同步电机上，这两个电流必须经过通过控制系统的处理后再经过park逆变换的作用将得到两相电信号，两相电信号再经过脉宽调制模块的调频作用最终作用到逆变器上，使逆变器按一定顺序导通进而产生相应的定子电流，定子电流产生旋转的磁场驱使永磁同步电动机旋转。本发明中逆变器的控制采用空间矢量脉宽调制技术(space vector pulse width modulation：svpwm)。其具体原理是，电机定子中通入三相幅值和频率相同，相位不同的正弦交流电压时，在电机中就能够产生幅值和速度恒定的合成电压矢量，并且这个合成的电压矢量的运动轨迹是圆形，速度和正弦交流电压的角速度相同。在电磁学中可以发现，磁链和电压呈积分关系。控制电机中的磁链很困难，但是可以直接控制电压。为了产生圆形的旋转磁场，必须生成运动轨迹为圆形的旋转电压矢量。svpwm可以通过控制逆变器按一定的顺序导通生成所需的电压，该电压通过积分作用生成旋转的圆形磁场。svpwm技术因其输出电压波形平滑和容易在控制芯片上实现的优点，经常被用来控制逆变器产生旋转的圆形磁场。此外，其优点在于将永磁同步电机和逆变器两者作为不可分割的部分来处理，模型简单，控制系统更易于设计和实现输出电压波形平滑和容易在控制芯片上实现；
26.第三部分是无位置传感器模块的设计，本发明采用无位置传感器的方法来检测转子的位置信息，因为无位置传感器克服了传统机械式传感器的很多缺点和不足。比如，机械式传感器对环境要求比较严格，在恶劣环境下无法精确测量，还会增加控制系统的开销和尺寸，而无位置传感器的方法避免了这些问题，并且有很好的鲁棒性、系统响应快和易于工程实现的优点，相对而言精度更高。在实际的工业生产中，有很多的使用无机械式传感器测量转子位置的方法，经常使用的方法有卡尔曼滤波器法、模型参考自适应方法、滑模观测器法和磁链估计法等。滑模变结构控制与其他控制方法相比较这种控制方式有其独特的特性：系统的结构随着状态的变化而不断变化，并且这种变化是有规律的。这种规律是通过切换函数的作用,使系统在控制结构的不同部分中切换执行，并且其运动轨迹是可预知的，因此本发明采用滑模观测器的位置速度估计方法。滑模观测器算法的主要目的就是计算转子的位置和速度信息，在进行数据处理时利用的是电机的反电动势。因此计算反电动势是求出转子位置和速度信息的关键。传统的滑模观测器的数学建模是在两相静止坐标系下进行的，当滑模观测器的状态变量到达滑模变结构的切换面时，根据滑模变结构理论可知，这些状态变量就会被吸引到滑模区，也就是说这些状态变量会一直保持在滑模面上。参照图3，
根据以上分析可以画出滑模观测器的实现框图；
27.第四部分是磁场定向控制系统的整合设计，通过对前面三个模块设计的分析，进而整合设计出无位置传感器foc控制系统的原理图和电路图，与foc协处理器进行数据交换以及运算，实现了整体的foc控制电路，分别使用matlab的simulink进行了模型仿真确认，除此之外，使用verilog硬件描述语言编写了rtl硬件代码实现了其控制功能，连接到总线上与中央处理器以及协处理器实现了数据的沟通互联，并且编写了其testbench仿真测试文件，对整体控制电路的功能进行仿真验证。
28.参照图4，永磁同步电机驱动微控制器的设计首先从需求分析和硬件架构划分与设计开始。在此阶段，确定mcu的各类指标以及大体模块构成，存储器系统的划分和大小(包含内部存储器与外部存储器)，axi总线与apb总线的的结构及分别挂载在总线上的模块。在完成系统的架构划分与设计后，具体对每个模块的功能进行设计。在对模块的设计中，使用ip核复用技术，通过对现有成熟ip核的修改和复用，完成了uart、spi、gpio、i2c、adc等模块的设计，大大减小了微控制器的研发难度与成本，提高了系统的可靠性。完成设计工作后，对微控制器进行了从模块到系统级别的仿真及验证。对一个微控制器的设计来说，系统功能和时序比较复杂，前期完成的设计中必然会出现各种故障和错误，因此需要对其进行完备的仿真和验证，是微控制器研发极其重要的一步。在工业界中，仿真和验证所花费的时间和成本常常能占到整个芯片研发的70％及以上。首先对于微控制器的内核，要对risc-v基本指令集和高级程序在内核上的运行效果进行仿真与测试。为测试内核是否符合risc-v指令集架构所定义的指令，risc-v基金会建议进行一些自测试，以确认内核运行基本指令的正确性。自测试使用汇编语言编写，如要对加法指令add进行测试，则对两个数进行相加操作，并比较所得结果和预期结果是否相符，即可完成测试，其他指令的测试同理。内核无法直接运行测试程序，需要使用gnu工具链对程序进行编译并转换为二进制文件后才能运行。gnu工具是linux环境下的一款用于编译、连接和调试的开源工具，包括gcc编译器、链接器、汇编器、gdb调试器和c函数库等，可编译几乎所有的编程语言，适用于绝大部分硬件平台。此外，还需要编写测试平台文件(testbench)，在其中例化risc-v内核，并将由汇编程序转换得来的二进制文件作为激励读入到内核中去。除此之外，实现在内核上运行高级语言编写程序的仿真，有助于进一步验证内核的功能正确性。综上所述，在内核上运行基本指令和高级语言程序的仿真结果均符合预期，证明了该处理器内核功能正确性。为验证spi接口控制器能否正常工作，需要编写软件并编译，接着将软件编译后的二进制代码作为激励输入到cpu中运行，然后cpu通过apb总线向spi控制器发送数据和命令以进行仿真。对gpio控制器的仿真步骤和spi模块类似，先编写c语言代码对gpio引脚进行写数据，将c语言程序编译后输入到cpu中运行，这样cpu就会通apb总线向gpio控制器发送对应的命令和数据，从而在引脚上就能读取到相应数据。在完成各模块的设计与顶层模块的集成后，即可得到设计的rtl代码，并进入到逻辑综合工作，经过转化、优化和映射等步骤，将rtl代码转换为门级网表文件。微控制器的物理实现过程是在物理设计工具中完成的，其流程包括微控制器的布局规划、单元摆放、时钟树综合、单元布线、电压衰减分析等工作。物理设计完成后，还需要进行时序和物理验证工作，验证通过后即可得到微控制器的物理版图。
29.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另
外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，微控制器主要包括：中央处理单元，为risc-v指令集架构，用于系统的控制、数据运算、程序运行；内部存储器采用哈弗结构，程序和数据分别存储在不同的存储空间，独立编址且独立访问；gpio模块，为微控制器的通用输入输出端口；pwm模块，通过计数器实现输出周期波形；uart模块，用于数据的异步收发；i2c控制器，用于串行通信；spi控制器，为串行外设接口；adc模块，将模拟信号转换成表示一定比例电压值的数字信号；foc控制模块，实现foc算法，完成闭环电机驱动控制；foc协处理器单元，包含乘法器、除法器、cordic算法单元和pid算法单元等，用于实现foc驱动电路的数据运算以及系统控制。2.根据权利要求1所述的一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，该微控制器使用risc-v精简指令集架构。相对于其他复杂指令集架构，精简指令集架构指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期。这种架构降低设计成本，提高设计有效性。3.根据权利要求1所述的一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，使用高级微控制器总线体系作为子系统模块之间共享的通信链路。系统的一级总线为axi总线，用于高性能、高时钟工作频率模块，比如中央处理器以及foc协处理器；二级总线为apb总线，用于低速外设模块，比如gpio模块、pwm模块、uart模块、i2c控制器、spi控制器和adc模块等。总线转接桥进行总线通信协议的转换，将axi事务转化为apb事务，灵活针对地实现各个模块对总线的需求。4.根据权利要求1所述的一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，系统中设计一个单独的foc协处理单元。该foc协处理单元包含乘法器、除法器、cordic算法单元和pid算法单元，与adc模块直接连接，实现协处理器与foc模块的频率匹配，用于完成foc驱动电路的数据运算和控制以及坐标变换算法、空间矢量脉宽调制算法的实现，减轻了微控制器中央处理单元的特定处理任务压力，相比于传统驱动方式，效率更高，功耗更低。5.根据权利要求1所述的一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，为完成foc电机驱动，该专用微控制器设计有一个foc控制电路模块。该模块旨在设计一种用无位置传感器方法代替机械式传感器的foc控制系统。该foc控制电路模块使用无位置传感器电机控制的方法，是利用电机中的相关参数来测量转子的位置和速度信息，具体为滑模观测器算法，该算法观测精度高且实现直观简单，增强了系统鲁棒性。对该foc控制电路模块进行具体划分设计，包括pid控制单元，park变换模块，clark变换模块，反park变换模块，滑模观测器模块和svpwm模块，以实现驱动算法以及foc电流环和速度环的闭环控制。6.根据权利要求1所述的一种基于risc-v架构的永磁同步电机驱动微控制器，其特征在于，该专用微控制器设计的foc控制电路模块主要由坐标变换模块、空间矢量脉宽调制(svpwm)模块和无位置传感器模块构成。坐标变换模块中，foc算法中控制的直流电是通过坐标变换得到的，并且经过变换后的直流电是两个相互正交的直流分量，控制这两个直流分量就可以像控制他激式直流电机一样控制永磁同步电机。因此该模块包含静止坐标变换(clarke变换)和同步旋转坐标变换(park变换)。空间矢量脉宽调制(svpwm)模块中，相对于
传统正弦波脉宽调制(spwm)的方法，本发明采用直接利用电压矢量来产生旋转圆形磁场的方法即空间矢量脉宽调制技术(space vector pulse width modulation：svpwm)来对逆变器进行控制，相对于传统方法，这种控制模型实现简单，控制系统更易于设计和实现。无位置传感器模块中，本发明采用无位置传感器的方法来检测转子的位置信息，因为无位置传感器克服了传统机械式传感器的很多缺点和不足。比如，机械式传感器对环境要求比较严格，在恶劣环境下无法精确测量，还会增加控制系统的开销和尺寸。在对比分析比较常见的卡尔曼滤波法、模型自适应参考法、滑模观测器法和磁链估计法等观测方法后，本发明采用滑模观测器，不仅能够在很大程度上降低控制系统的开销，此外，还有很好的鲁棒性、系统响应快和易于工程实现的优点。

技术总结
一种基于RISC-V架构的永磁同步电机驱动微控制器。本发明属于半导体集成电路设计，FOC硬件电路设计，MCU芯片设计领域，是一种基于RISC-V架构的永磁同步电机驱动微控制器设计。本MCU系统主要包括中央处理器单元、存储器系统、GPIO模块、PWM模块、UART模块、I2C控制器、SPI控制器和ADC等模块，以及FOC控制模块和FOC协处理器。系统总线采用AXI和APB总线的双级总线结构，连接不同速率的模块，实现数据和指令的交换和传递。FOC协处理器主要包括乘法器、除法器、cordic算法单元和PID单元实现FOC永磁同步电机驱动控制的硬件电路设计。FOC控制电路模块主要包括坐标变换模块、空间矢量脉宽调制模块和无位置传感器模块。本发明使用无位置传感器电机控制方法，克服了机械式传感器的缺点。点。点。


技术研发人员：李威 谭菲 徐子涵
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/7/20