1us电流环！先楫HPM6000系列芯片实现高效电机控制
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。
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。欲了解更多hpm6000系列产品特点与应用案例，欢迎关注并推荐“先楫半导体hpmicro”及“先楫芯上人”。
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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：
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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：
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