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深度解剖带逆变控制IP的32位MPU

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Renesas专门针对工业控制应用推出了32位带浮点运算单元RZ/T1系列MPU R7S910002CBG。该MPU集成了逆变控制IP和安全加密功能,具有高采样的速度和精度,使得伺服系统的开关频率能够达到更高速率,提升了效率,满足业界对电机的转速要求。


配备TCM无需使用缓存,32位MPU具有多外设功能

R7S910002以ARM Cortex-R4F(1.66 DMIPS/MHz)为内核构建,工作频率最高可达到450MHz,并可进行单精度/双精度浮点运算,数学运算效率极高。其配有两个紧密耦合内存(TCM) 区,直接与CPU内核相连,因此无需使用缓存。TCM支持关键程序处理,如中断处理程序或实时任务,从而可确保达到最高响应等级,不存在缓存延迟问题。32位MPU R7S910002的内核结构图如图1所示。


图1:R7S910002 内核结构图


R7S910002保留了获得行业认可的Renesas MPU外设功能,进一步提升了用于工业设备的新增外设功能和安全功能。瑞萨SH系列和RX系列MPU在工业设备领域一直享有盛誉,R7S910002保留了二者的包括广受认可的定时器和通信功能在内的多种外设功能。通过采用之前使用其他Renesas架构的设计,简化了开发过程,缩短了上市时间。为满足工业设备对可靠性和安全性的苛刻要求,片上内存(包括紧密耦合内存)整合了ECC功能。 其他安全功能包括:避免在程序失控的情况下重写重要寄存器的寄存器写保护功能、输入时钟振荡检测功能以及独立看门狗定时器功能,这些都有助于简化安全认证流程。


R7S910002内置电机IP,可产生逆变PWM波形

R7S910002内置的电机IP核包括了用于脉冲输入和输出的多功能定时器单元MTU3a。MTU3a由8个通道的16位定时器构成,可用于伺服控制的脉冲输入和输出,最多支持28路脉冲输入/输出,3路脉冲输入。每个通道可以选择11路时钟源,最高频率支持到150MHz,其支持的功能包括:

1)通过比较匹配进行波形输出。

2)计数器清除运行。

3)同时写多个定时器的计数器。

4)通过比较匹配或者输入捕捉进行同时清除。

5)通过计数器的同步运行进行各寄存器的同步输入/输出。

6)通过和同步运行的组合进行最多12相的PWM输出。

7)能通过MTU3/4以及MTU6/7的联动运行输出互补PWM或者复位PWM的正负6相共12相的PWM波形,能在互补模式中的定时器计数器的波峰/波谷或者写缓冲寄存器时,将数据从缓冲寄存器传送到暂存器。也可以在互补PWM模式中设定双缓冲功能。

8) MTU3/4能在互补PWM模式中,减少计数器波峰/波谷的中断,以及A/D转换器的转换开始触发。

9)MTU能用作补偿死区时间的计数器。


结合上述定时器功能,通过测量输出波形的延迟并且将此延迟反映到占空比,将外部脉宽测量功能用作互补PWM运行时的PWM输出波形的死区时间补偿功能,可产生伺服电机控制的逆变PWM波形。其时序图以及MTU3马达控制电路的结构图分别如图2和图3所示。


图2:带有死区控制的互补PWM运行时序图

 

图3:MTU3马达控制电路的结构图


集成4路△Σ接口DSMIF,带飞电机电流控制

R7S910002电机控制IP还包括了4路△Σ接口DSMIF,通过△Σ滤波将数字位流输入调制成16位数字量输出,可以用于数字型电流采样,提高了电机控制电流采样的精度和速度,可以同时采集三相电流(U、V和W)和直流母线电流。DSMIF支持主从模式数据输出,最高时钟频率为25MHz。DSMIF集成SINC滤波器,可选择一阶、二阶和三阶滤波。DSMIF可以在波峰和波谷触发捕获,通道0 –2支持同步采样,这样电流采样没有相差,可以提高电流环的运算精度。DSMIF接口支持故障检测和输出,通道0和1支持电流过载和短路检测,同时通道0支持总电流异常检测。待机模式下可以关闭模块输出,降低系统功耗。


每个DSMIF包含了3个24位加法器,用于补偿SINC滤波器,数字位流根据时钟MCLK同步输入到SINC滤波器。数据经过SINC滤波器后,输入有3个分频器中进行采样,最后经过数字处理变成16位的电流值。


图4:SINC滤波器


 图5:抽样处理阶段


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