SmartFusion双马达控制套件的主要特性及应用分析

Microsemi公司的SmartFusion双马达控制套件包括SmartFusion评估板和与之配对的TRINAMIC公司的TMCM-AC-840子板，能为逐步马达和无刷DC马达（BLDC）提供定制化片上系统（c SoC）马达控制平台，而SmartFusion的CSOC器件集成了FPGA，ARM ®的Cortex ™-M3处理器，以及可编程的模拟，提供完全定制的IP保护和容易使用;此外还集成了SRAM存储器和SPI闪存本文介绍了SmartFusion cSoC主要特性，面板图和系统架构图，BLDC和步进马达演示设计基本原理以及SmartFusion双马达控制套件主要特性，SmartFusion评估板主要特性以及TMCM-AC-840子板的主要特性，电路图和马达控制子板PCB布局图。

SmartFusion®系列cSoCs建立在Fusion混合信号FPGA首次引入的技术的基础上。通过将FPGA技术与可编程高性能模拟和经过加固的ARM Cortex-M3微控制器模块集成到闪存半导体工艺中，可以实现SmartFusion cSoC。SmartFusion cSoC之所以得名，是因为这三种分立技术都集成在单个芯片上，从而为您提供了最低的拥有成本和最小的占地面积解决方案。

SmartFusion定制片上系统（cSoC）的主要特性：

微处理器子系统（MSS）

•硬100 MHz 32位ARM®Cortex™-M3

–零等待状态 存储器的1.25 D MIPS / MHz吞吐量 –存储器保护单元（MPU）

–单周期乘法，硬件除法

– JTAG调试（4线），串行线调试（SWD，2线）和单线查看器（SWV）接口

•内部存储器

–嵌入式非易失性闪存（eNVM），128 KB至512 KB

– 16 KB至64 KB的嵌入式高速SRAM（eSRAM），在2个物理块中实现，以允许从2个不同的

主设备同时访问

•多层AHB通信矩阵

–提供高达16 Gbps的片上存储带宽，1允许多主站方案

•具有RMII接口2的10/100以太网MAC

•可编程外部存储器控制器，其

支持：

–异步存储器

– NOR闪存，SRAM，PSRAM

–同步SRAM

•两个I2C外设

•两个16550兼容UART

•两个SPI外设

•两个32位定时器

•32位看门狗定时器

•8通道DMA控制器，可从数据事务中卸载Cortex-M3

•时钟源

– 32 KHz至20 MHz主振荡器

–具有实时计数器（RTC）的电池供电的32 KHz低功耗振荡器

– 100 MHz嵌入式RC振荡器；精度为1％

–具有4个输出相位（ 0、90、180、270 ）的嵌入式模拟PLL

高性能FPGA

•基于成熟的ProASIC®3FPGA架构

•低功耗，130纳米，7层金属的抗误错性，基于闪存的CMOS工艺

•非易失性，上电时实时显示，断电时保留程序

•350 MHz系统性能

•嵌入式SRAM和FIFO

–可变长宽比4，608位SRAM块

– x1，x2，x4，x9和x18组织

–真正的双端口SRAM（不包括x18）

–可编程的嵌入式FIFO控制逻辑

•安全ISP通过JTAG具有128位AES

•FlashLock®可确保FPGA内容的安全

•五个时钟调节电路（CCC），具有多达2个集成模拟PLL

–相移，乘法/除法和延迟功能

–频率：输入1.5–350 MHz，输出0.75至350 MHz的

可编程模拟

模拟前端（AFE）

•最多3个12位SAR ADC小号

- 500 ksps的在12位模式下

- 550 ksps的在10位模式

- 600 ksps的在8位模式下

•内部2.56 V参考或可选的外部参考

•一个一阶ΣΔ DAC每个ADC（Σ-Δ）

- 8位，16位，或24位500 ksps的更新速率

•最多每个设备多达5个高性能模拟信号调理模块（SCB），每个模块包括：

–两个高压双极性电压监控器（4个输入范围为±2.5 V至

–11.5 / + 14 V），精度为1％

–高增益电流监视器，差分增益= 50，最高14 V共模

–温度监视器（分辨率=¼°C，12位模式；准确度从–55°C到150°C）

•多达十个高速电压比较器（ tpd = 15 ns）

模拟计算引擎（ACE）

•从基于ADC，DAC和SCB的模拟初始化和处理中卸载基于Cortex-M3的MSS

•用于ADC和DAC参数设置的采样序列引擎

•用于低通滤波和线性变换等功能的后处理引擎

•轻松通过GUI在Libero®集成设计（IDE）软件

I / O和工作电压中进行配置

•FPGA I / O

– LVDS，PCI，PCI-X，最高24 mA IOH / IOL

–最高350 MHz

•MSS I / O

–施密特触发器，最高6 mA IOH，

最高8 mA IOL，最高180 MHz

•带片上1.5 V稳压器的3.3 V单电源

•旁路稳压器允许外部1.5 V（对于FPGA和MSS，数字VCC = 1.5 V，模拟VCC = 3.3 V和1.5 V）

SmartFusion系列产品：

图1. SmartFusion cSoC机箱图

图2.

SmartFusion cSoC系统架构图SmartsFusion

双马达控制套件Microsemi的SmartFusion双马达控制套件具有SmartFusion评估板和TRINAMIC的TMCM-AC-840子板，可提供可定制的片上系统（cSoC）马达控制原型平台适用于步进和无刷直流电机（BLDC）。包括每种类型的电动机中的一种，以及必要的电缆和电源。SmartFusion cSoC是唯一集成了FPGA，ARM®Cortex™-M3处理器和可编程模拟的设备，具有完全的自定义，IP保护和易用性。该器件包含片上闪存和片上SRAM存储器，以及板上的其他SPI闪存。

SmartFusion FPGA非常适合运动控制应用。由于硬件，软件和其他模拟组件的结合，复杂的系统可以集成在单个芯片中。这大大减少了实现运动控制单元所需的组件数量。实时关键任务可以在硬件中实现。可以通过软件来实现复杂的任务，但是对实时性要求不高的任务。实时的关键任务是快速旋转BLDC电机的换向或高分辨率编码器信号的处理。运动控制应用中的典型任务是处理模拟信号，例如电压和电流测量。因此，是SmartFusion的。可以使用模拟量I / O和处理功能。

SmartFusion评估板的主要特性：

•支持SmartFusion评估，包括ARM Cortex-M3，FPGA和可编程模拟

•免费的一年Libero集成设计环境（IDE）软件和带有SoftConsole的金牌许可，用于嵌入式设计

•两根USB电缆

•在线用户指南，教程和设计示例

•印刷电路板（PCB）原理图，布局文件和物料清单（BOM）

•电路板功能

-以太网接口

-USB端口用于电源和超级终端

-USB端口用于编程和调试

-J-Link接头用于调试

-混合信号头

- SPI FL灰-的片外存储器

-复位和2用户开关，8个LED小号

-电压/电流监控器的POT-

温度监控器

-有机发光二极管（OLED）

与Trinamic的集成BLDC电机栅极驱动器TMC603A（或集成的步进电机驱动器TMC262）一起，可以通过几个组件实现功率级如TMCM-AC-840子板套件所示，可直接插入ACTEL SmartFusion。评估套件板或开发套件板。

TRINAMIC TMCM-AC-840子板套件是用于无刷直流电动机（BLDC）和步进电动机的电源驱动器。TMCM-AC-840子板套件包含一个TMC603A BLDC电机驱动器IC和一个TMC262 coolStep。步进电机驱动器IC以及两个电机（一个BLDC和一个步进电机）和一个适合的便携式电源立即启动。

TMCM-AC-840设计为可与ACTEL SmartFusion一起使用。开发套件（修订版C和更高版本）以及ACTEL SmartFusion。评估板，因为两块板的混合信号扩展接头都与引脚兼容（两块板请参见ACTEL用户指南）。当TMCM-AC-840与ACTEL SmartFusion结合使用时。配备较大的A2F500 SmartFusion的开发套件。FPGA，混合信号头上还有一些其他的模拟I / O。可通过TMCM-AC-840子板上的引脚接头轻松访问混合信号扩展接头的所有信号。

TMCM-AC-840子板的主要特性：

一个BLDC电动机预驱动器TMC603A

o集成的双量程高精度电流测量放大器

o支持使用功率分流更少电流测量MOS晶体管的RDSon

öhallFX™传感器反EMF换向模拟霍尔传感器

ö集成先开后合化妆逻辑：没有特别的微控制器的PWM所需的硬件

ö见的TMC603A数据表以获取更多信息［2］

一个步进电机驱动器TMC262

o带有步进和方向接口以及外部功率级的高分辨率高分辨率微步两相步进驱动器

o高精度的无传感器电机负载测量失速Guard2™

o通过自动负载相关的电机电流调节技术coolStep™实现节能和冷却高达75％的能量！

o有关更多信息，请参见TMC262数据表［3］。

一个直流无刷电机（Qmot QBL4208-41-04-006）

ö马克西姆微米额定电流1.8A，峰值电流5.4A，见马达规格/用户指南上的电气和机械参数的详细信息［6］

一个步进电机（Qmot QSH4218-35-10-027）

o最大电流1.0A，有关电气和机械参数的更多信息，请参见电动机规格/用户指南［5］

一个带有国际连接器的便携式电源，电压为24V / 1A（1.3版及更高版本）

硬顶盒，易于搬运和安全运输（1.3版及更高版本）

电路板和驱动器级支持步进驱动器模块的最大电机电流高达2A，而BLDC驱动器模块支持的最大电机电流为4A（散热良好的5A）。

使用可免费提供的演示设计（在BSD下）实现BLDC和步进器功能的简便即插即用解决方案

BLDC电机的霍尔传感器接口

ABN编码器接口，用于高精度位置测量

o编码器接口可与步进器或步进电机一起使用与BLDC电机配合使用。

连接到Actel SmartFusion™设备的模拟模块（信号调节模块，SCB）的各种模拟信号，例如，用于电压测量

附加的RSENSE测量引脚

混合信号扩展接头的所有信号都可以通过以下引脚接头访问：测试和测量

BLDC和步进电机驱动器的并联运行

与Actel SmartFusion™开发套件以及Actel SmartFusion™评估套件的引脚都兼容 。

每个驱动器都需要单独的DC电源电压

o步进驱动器模块（TMC262）：+ VM262 = 12V至40V

o BLDC驱动器模块（TMC603A）：+ VM603 = 12V至48V

o使用跳线，两个驱动器都可以使用一个电源

。SmartFusion

双马达控制套件包括：对于此演示设计，SmartFusion双电机控制套件随附以下内容：

•SmartFusion评估套件板

•Trinamic TMCM-AC-840子板套件（包括2个电机）

•2条USB电缆，用于编程和UART连接到工作站

•MicrosemiLibero®软件工具链

•FlashPro编程软件

•1个电源单元

对于每个电机块（步进或BLDC），您需要一个单独的电源单元

–仅使用一个电源，一次只能驱动一台电机

图3。BLDC和逐步马达演示设计基本原理

图4。SmartFusion双马达控制套件外形图：

上：SmartFusion评估板；下：TMCM-AC-840马达控制子板

图5.TMCM-AC-840控制马达子板电路图（1）

图6.TMCM-AC-840马达控制子板电路图（2）

图7.TMCM-AC-840马达控制子板电路图（3）

图8.TMCM-AC-840马达控制子板电路图（4）

图9.TMCM-AC-840马达控制子板电路图（5）

图10.TMCM-AC-840马达控制子板电路图（6）

图11.TMCM-AC-840马达控制子板PCB布局图

责任编辑：gt