高效的電機控制的軟硬件解決方案

隨著工業自動化、車輛電動化和智能家居等領域的快速發展，高效的電機控制技術正成為現代工程中不可或缺的一部分。電機作為能量轉化和動力驅動的核心設備，其效率、可靠性和智能化程度直接影響整體系統的性能表現。因此，設計一套結合軟硬件的高效電機控制解決方案，不僅能降低能耗，還能實現精準控制，滿足多樣化應用需求。本文將介紹電機控制技術的發展趨勢，以及NXP（恩智浦）與艾睿電子在電機控制技術上的優勢與解決方案。

電機控制的發展趨勢與所面臨的挑戰

工業和物聯網應用中經常需要電機驅動，其中對于節能的需求，驅動著電器能源等級與熱泵的成長，并對低功耗系統的需求增加，因此需要超低壓驅動器，以及以電池為基礎的系統，以滿足永續發展的趨勢。此外，對于高效驅動電機的要求也增加，因此需要各種新興的電機類型，以及高效的控制算法，在同步控制方面，因為工業網絡與多軸運動控制的需求增加，將帶動對驅動效率的追求。另一方面，隨著對安全與安保需求的增加，系統更加重視功能安全與網絡安全，并追求穩健性，需要進行預測性維護與達到工業合規，以提升系統的穩定性。

不過，電機控制也面臨著眾多的市場挑戰，像是市場分散、用例眾多，以及家電市場對降低BOM或設計成本的要求增加，另外像是對工業功能安全要求、電機控制客戶的不同專業水平，還有眾多與眾不同的電機控制工具和軟件的出現，以及包括功率級的系統級解決方案，也是電機控制應用所面臨的挑戰。

電機控制的種類很多樣，涵蓋有刷直流、步進、無刷直流（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）與交流感應電機（ACIM）等技術，覆蓋各個垂直市場，其中推動主要成長市場的大趨勢包括對能源效率的追求，需要采用熱泵、超低壓電機驅動，以及自動化的趨勢，帶動對伺服驅動器、移動機器人、電動工具的需求。此外，還有關鍵成長市場推動技術的差異化，包括跨越多種垂直市場的類似電機控制技術，將朝向低速高扭矩、可變負載等發展，目前在成長市場的主要趨勢決定了重點的電機類型，則是朝向BLDC和PMSM發展。

硬件結合軟件的全面性電機控制解決方案

NXP的電機控制產品采用硬件結合軟件的“組合拳”，產品線從可支持低至48MHz的入門級和主流MCX產品組合，以及高達1GHz的跨界MCU ── i.MX RT，以及可用于電機控制結合運動控制的i.MX應用處理器，內建Cortex-A + Cortex-M內核，其中的電機控制子系統包含有硬件同步的高速ADC、電機控制PWM、運算放大器／可編程增益放大器（PGA）與編碼器接口，可通過電機控制子系統進行可擴展處理，以簡化電機控制開發體驗。

相較于競爭對手，NXP擁有差異化優勢，像是i.MX RT跨界MCU運作頻率高達1 GHz，可進行高動態電機控制，i.MX 94 MPU則具有可用于運動結合電機控制的實時內核，可執行超高效處理。此外，NXP還有具一致性的電機控制子系統，具有專為電機控制而設計的NXP IP，并可跨MCU和MPU產品組合進行擴展。

NXP的電機控制解決方案可優化應用成本，內置片上PGA與位置解碼器，i.MX RT跨界MCU還擁有最高的DMIP/美元，并可提供面向用例的集成能力，像是用于連接工廠伺服驅動器的千兆工業網絡，以及用于電機預測性維護和異常檢測的eIQ AI/ML功能，并可通過電機辨識和調整進行快速原型設計，搭配易于啟動的SDK范例，可協助產品快速上市。

NXP可提供分層式的解決方案產品，在概念驗證方面，可協助客戶展示一個概念或想法，確認有限硬件的可用性、基本測試與固件，客戶可獲得啟動項目的固件／原理圖示例，并增加對設備兼容性的信心。

在參考設計方面，NXP可提供涵蓋特定客戶用例的優化參考解決方案，具有通過所有渠道提供的硬件、監管認證，并提供培訓和支持，協助進行軟件測試和維護，客戶可獲得開發項目的硬件／原理圖示例，提高實施和測試信心，以及完整的軟件／固件示例，并可加快產品上市。

NXP的FRDM開發平臺可提供低成本可擴展板，是可輕松構建的可擴展解決方案，可通過所有渠道和不同合作伙伴提供硬件，提供培訓和支持，以及提供參考軟件，客戶可針對不同用例進行輕松擴展，產品可快速上市，具有廣闊的市場支持，并提供多個示例。

電機控制應用所需的高性能處理器與開發工具

NXP的i.MX RT-1180是高端跨界MCU，具有高性能的Arm Cortex -M7內核，工作頻率高達800 MHz，以及節能的Cortex -M33內核，頻率高達240 MHz。i.MX RT-1180具有工業網關功能，支持工業實時協議（Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP等），以及通過最先進的以太網交換機子系統和帶ECC保護的1.5 MB片上RAM，來實現的最新千兆時間敏感網絡（Time Sensitive Networking, TSN）協議。i.MX RT-1180還集成了先進的電源管理模塊，包括DC DC和LDO調節器，可以降低外部電源的復雜性，簡化電源時序，同時還有一個大型子系統，可以支持多種應用，包括存儲接口、連接接口（CAN-FD、LPUART、LPSPI、LPI2C、FlexIO等）。

NXP的i.MX RT-1180是一款帶有一個TSN交換機和EdgeLock安全功能的跨界雙核實時微控制器（MCU），采用Arm Cortex-M7和Arm CortexM33內核，實現高性能和實時控制功能。i.MX RT1180集成了TSN交換機和EtherCAT從機控制器，非常適合工業和汽車通信應用。

i.MX RT-1180 CM7的運行頻率高達800MHz，CM33的運行頻率高達240MHz，片上RAM為1.5MB。該系列支持多種協議，實現了實時以太網和工業4.0系統之間的通信橋接。i.MX RT-1180還提供先進的信息安全，集成了NXP的EdgeLock安全區域。i.MX RT1180系列由MCUXpresso開發者體驗支持，其中包括SDK、IDE選項、安全編程和配置，以及設置工具，可實現快速開發。

NXP可協助電機控制開發者一系列的流程，首先進行系統設置，再來執行電機建模，可通過FreeMASTER電機控制應用程序來調整（MCAT），第三步則進行電機調整，可通過FreeMASTER使用MCAT進行運行時調試，接著可通過MCUXpresso SDK的電機控制代碼示例進行軟件交付，直到最終產品的推出。

FreeMASTER是一款用于應用程序開發和信息管理的實時調試監控和數據可視化工具，包括示波器、實時存儲和儀表板控制，具有易于使用但高度可擴展特性，可進行基本控制和可視化無需更改代碼，中間件可支持更強大的實現能力，可完全支持HTML/Javascript中的自定義儀表板、腳本，以及與其他應用程序的數據交換，并支持多種接口選項，包括UART、CAN、BDM/PD-BDM和SWD或自定義，可以在任何具有可用串行接口的平臺上運行，FreeMASTER Lite則可支持非Windows平臺上的遠程控制儀表板。

MCAT則是FreeMASTER的插件工具，與FreeMASTER相結合，可以實時監控、調整和更新電機控制應用中的控制參數。MCAT能夠根據目標電機／應用調整控制參數，控制參數的動態調整和更新，并生成具有調整參數靜態配置的頭文件，可獨立于MCU，并與算術無關（16位/32位、Fix/Flt）。

智能的TSN/EtherCAT電機控制開發工具包

為加速客戶的產品開發速度，由艾睿電子開發的SEED-RT118X開發套件，是一款可用于智能TSN/EtherCAT電機控制的開發工具套件。搭配的i.MX RT1180跨界MCU集成先進的EdgeLock安全區域，基于800 MHz Cortex-M7和240 MHz Cortex-M33雙核架構，可實現設計靈活性。該系列包括TSN交換機，支持實時豐富的網絡集成，可處理時間敏感和工業實時通信。i.MX RT1180支持多種協議，橋接實時以太網和工業4.0系統之間的通信。SEED-RT118X集成了以太網、EtherCAT、CAN、USB、SD功能，以及四個連接器，可獨立支持額外的電機控制板。

SEED-RT118X Ethernet板卡共有5個以太網口，其中ETH0和ETH4是百兆網口，其他三個均為千兆網口。ETH0 - ETH3這四個網口連接至RT 118X內部一個4口的TSN交換機上。ETH4連接至RT 118X內部一個TSN GMAC上。SEED-RT118X EtherCAT板卡的以太網口ETH0和ETH4可以配置為EtherCAT接口ECAT0和ECAT1，同時可以通過修改板卡電阻來選擇PHY接口是RMII還是MII。EtherCAT具有通信速度快、同步性能好、拓撲結構靈活、實時性高、高可靠性和穩定性等特性。

SEED-RT118X電機控制接口板卡還預留了四路引腳定義相同的電機控制接口，搭配特定驅動板，這款基于NXP i.MX RT1189的應用解決方案，可用于24V-48V直流伺服電機、BLDC、步進電機控制。

SEED-RT118X TSN可執行GPTP時鐘同步，測試RT118X GPTP時鐘同步參數，SEED-RT118X TSN數據收發，可發送包含時間戳的數據，測試RT118X網絡棧處理延遲與轉發延遲。SEED-RT118X TSN交換機可配置RT118X TSN交換機的VLAN、轉發表、流量調度功能。經過測試，SEED-RT118X GPTP時鐘同步參數的最大誤差為±39.98ns，平均誤差為2.556ns，SEED-RT118X網絡棧處理延遲與轉發延遲之和約為36μs。

結語

高效的電機控制不僅是技術創新的方向，更是推動節能減排和智能化應用的關鍵。通過軟硬件的協同設計，工程師能夠實現更高效、更可靠的電機運行，滿足各行業日益增長的性能需求。同時，隨著控制算法、處理器性能，以及開發工具的不斷進步，設計高效電機控制系統的門坎逐漸降低，為更多應用場景帶來了創新機會。本文所介紹的NXP與艾睿電子的電機控制解決方案，將在全球技術競爭和可持續發展中發揮不可替代的作用，助力創造更美好的科技生活。