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无刷直流（BLDC）电机是一种使用直流电源运行的电机，但它依靠的是电子控制器来切换电机绕组中的电流，而非传统有刷电机那样使用电刷。这种设计可以减少磨损，使电机更耐用、更高效。没有电刷就意味着摩擦更少，因而热损失也更少。BLDC电机具有效率高、功率重量比大、维护成本低、转速高、扭矩大、运行安静的特点，非常适合无人机、风扇、泵和电动汽车（EV）等应用。
然而，BLDC电机需要有电子控制器（如微控制器）、反馈机制（如霍尔效应传感器）等额外元器件才能工作。为简化BLDC电机和永磁同步电机（PMSM）的设计，NXP Semiconductors推出了S32M276S系统级封装（SiP）解决方案，该方案集成了高压模拟功能和高性能Arm® Cortex®-M7微控制器。NXP的S32M2 BLDC/PMSM电机控制评估板和S32M276SFFRD参考设计板支持该解决方案。
本项目将帮助工程师了解使用NXP S32M276SFFRD参考设计板快速高效打造BLDC电机控制应用原型所需的硬件和软件栈。
项目材料与资源
项目物料清单 (BOM)
NXP S32M276SFFRD参考设计板
NXP S32调试探针
项目代码/软件
S32 Design Studio for S32 Platform v.3.5（需要登录）
S32M2xx开发包（在S32 Design Studio中提供）
用于S32K3和S32M27x的RTD 4.0.0版
用于S32K3和S32M27x的RTD 4.0.0版P20补丁
项目GitHub代码库
其他资源
NXP账户（可免费创建）
FreeMASTER运行时调试工具（需要登录）
用于S32M27X的AMMCLib（需要登录）
S32M276电机控制应用程序（需要登录）
其他硬件
运行Windows 10或更高版本的PC
12V – 24V BLDC电机
12V DC/DC电源
瞬时（开）-关-（开）翘板开关
五个6.3mm FASTON连接器（三个用于电机，两个用于电源）
FTDI TTL-232R-3V3-WE TTL转USB串行转换电缆
剥线钳
压线钳
连接线
USB转UART开关适配器板（可选，设计文件在GitHub代码库中）
项目技术概述
NXP S32M276SFFRD参考设计板（图1）基于NXP S32M276 SiP，该SiP集成了32位Arm Cortex-M7微控制器和带有稳压器、栅极驱动器和电流检测功能的模拟芯片。该参考设计旨在向电机控制应用工程师展示S32M276如何帮助减小印刷电路板（PCB）和BOM尺寸。为便于原型开发，S32M276SFFRD提供用于UART、CAN/CAN FD（使用内部PHY）和JTAG 10引脚连接器等接口的分线板。
图1：NXP S32M276SFFRD参考设计板。（图源：贸泽电子）
硬件概述
本节介绍如何连接本项目的各种硬件组件。
将电机连接到开发板
将一个6.3mm FASTON连接器压接到BLDC电机的A相上。
将第二个6.3mm FASTON连接器压接到BLDC电机的B相上。
将第三个6.3mm FASTON连接器压接到BLDC电机的C相上。
将第四个6.3mm FASTON连接器压接到直流电源的正极线上。
将第五个6.3mm FASTON连接器压接到直流电源的负极线上。
将电机的A相连接到开发板的A相连接器上。
将电机的B相连接到开发板的B相连接器上。
将电机的C相连接到开发板的C相连接器上。
将电源的负极端子连接到开发板的接地连接器上。
注意：长时间带负载运行电机可能会导致电机过热。请连接合适的负载，或者缩短电机运行时间。
将开关连接到开发板
将开发板的VDDE-MCU引脚（图2）连接到开关的公共端。
将开发板的PTD0引脚连接到开关的高电平端。
将开发板的PTE11引脚连接到开关的低电平端。
图2：将开关连接到电路板。（图源：Green Shoe Garage）
将计算机连接到开发板
将JTAG 10引脚连接器电缆的一端插入开发板。
将JTAG 10引脚连接器电缆的另一端插入S32调试探针。
将USB转UART开关适配器板（图3）插入开发板。
将适配器板的TX信号（LPUART0_TX）连接到TTL-232R-3V3-WE的黄色RX线。
将适配器板的RX信号（LPUART0_RX）连接到TTL-232R-3V3-WE的橙色TX线。
将适配器板的GND信号连接到TTL-232R-3V3-WE的黑色GND线。
将TTL-232R-3V3-WE的USB Type A端插入PC。
注意：GitHub代码库中包含USB转UART适配器板的Gerber文件，从而更加便于将外部器件（如开关）连接到S32M276SFFRD开发板。
图3：适配器板可使开发板与外部元器件的连接更加可靠。（图源：Green Shoe Garage）
软件概述
本节将介绍更新、测试和运行本项目所需的各种开发应用程序。本文不再重复介绍NXP文档中的内容，但在计算机上设置开发环境时，请注意以下事项：
下载和安装软件时，请使用指定版本（而非最新版本），并遵循安装顺序。软件安装错误可能导致代码编译失败、软件启动失败或菜单不完整。
请勿尝试同时运行集成开发环境（IDE）调试器和测试应用程序（如MCAT），因为它们需要使用同一个COM端口。
S32 Design Studio
NXP S32 Design Studio (S32DS) 是一款专为汽车和工业应用定制的IDE。它支持为NXP S32系列汽车微控制器和微处理器开发软件，这些微控制器和微处理器广泛应用于各种先进汽车系统，如高级辅助驾驶系统（ADAS）、动力总成和车身控制等。该应用程序基于广泛采用的Eclipse平台，可为开发人员提供熟悉的界面。
S32DS提供全面的工具链，包括基于GCC的编译器、调试器以及对S32实时驱动程序（RTD）的支持。它提供驱动程序、RTOS、中间件和硬件抽象层，并支持符合AUTOSAR标准的汽车软件工具和库。
FreeMASTER
FreeMASTER是一款多功能实时调试监控器和数据可视化工具，用于配置和优化嵌入式软件应用程序。它已被汽车主机厂（OEM）和设备制造商广泛用于各种汽车和工业应用，具有以下主要功能：
非侵入式监控：使用类似示波器的显示屏、仪表、滑块和文本数据记录器实时显示多个变量
集成：与自定义HTML、MATLAB®、Excel和其他可编写脚本的框架链接，将微控制器（MCU）硬件集成到控制回路中
连接性：使用与Python、Node.js、C/C++/C#等兼容的JSON RPC调用，通过各种通信外设或调试通道连接到目标系统
嵌入式视图：在桌面应用程序中集成图表、表格和网页视图
电机控制应用调优工具
NXP电机控制应用调优（MCAT）工具（图4）是一款功能强大的软件实用程序，设计用于简化电机控制应用的开发和调优，尤其是在使用NXP电机控制硬件平台和软件解决方案时。它提供了直观的界面，用于实时调整电机控制参数，并可在电机运行时调优控制回路参数。这一功能对于微调性能、尽可能降低扭矩纹波和实现高效率而言至关重要，是电动汽车等应用中电机工程师的宝贵资源。
图4：NXP MCAT工具有助于调整电机的性能参数。（图源：NXP）
项目开发
本节将介绍如何修改源代码以满足需求。这些代码还可以作为模板，根据项目的需要进行进一步修改。源代码可从GitHub代码库获取。
在S32DS中编辑源代码
修改MCAT测试代码的主循环，使电机在窗口开关处于活动位置时运行。此代码假定开关高电平位置为活动，但也可修改为低电平位置为活动。
#include "Siul2_Port_Ip.h"
#include "Siul2_Dio_Ip.h"
#include "actuate_s32m.h"
#define MOTOR_ON() ACTUATE_EnableOutput()
#define MOTOR_OFF() ACTUATE_DisableOutput()
int main(void)
{
// 将PTD0和PTE11引脚初始化为输入引脚
Siul2_Port_Ip_PinSettingsConfig pinConfig = {
.mux = SIUL2_PORT_MUX_AS_GPIO,
.inputBufferEnable = true,
.outputBufferEnable = false,
};
Siul2_Port_Ip_Init(1, &pinConfig);
// 主应用程序循环
while (1)
{
// 读取PTD0和PTE11的状态
bool isPTD0High = Siul2_Dio_Ip_ReadChannel(PTD, 0);
bool isPTE11High = Siul2_Dio_Ip_ReadChannel(PTE, 11);
// 如果PTD0或PTE11为高电平，则开启电机
if (isPTD0High)
{
MOTOR_UP();
}
else if (isPTE11High)
{
MOTOR_DOWN();
}
else
{
MOTOR_OFF();
}
}
return 0;
}
上述代码重新利用了原本用于霍尔效应传感器的引脚。这意味着本示例可用于无传感器配置。
上传固件
在S32 Design Studio for S32 Platform中导入已安装的应用程序软件项目：
启动S32DS for S32 Platform。
单击File（文件），然后单击Import（导入）。
在Import窗口中，展开General（通用）文件夹，然后选择Existing Projects into Workspace（现有项目导入到工作区）（图5）。
图5：在S32DS中添加现有代码库。（图源：NXP）
浏览至下载的项目文件所在的文件夹，选择父项目文件夹。
选中Copy projects into workspace（将项目复制到工作区）复选框（图6）。
单击OK（确定），然后单击Finish（完成）。
图6：确保选中Copy projects into workspace复选框。（图源：NXP）
展开项目文件夹，双击*.mex文件，在S32配置工具中打开项目配置（图7）。
图7：*.mex文件将上传到被测试的设备。（图源：NXP）
确保配置了正确的项目，然后单击Update Code（更新代码）按钮生成配置文件（图8）。
图8：确保在上传固件之前选择了正确的设备。（图源：NXP）
在S32DS中，单击C图标（图9）返回C/C++视图。
图9：C图标可打开C/C++视图模式。（图源：NXP）
单击调试图标（图10）打开Debug Configuration（调试配置）窗口（图11），选择预定义的调试配置以构建软件并上传到MCU。
图10：调试图标可打开Debug Configuration窗口。（图源：NXP）
图11：在Debug Configuration窗口中，可以更改固件在调试期间的运行方式。（图源：NXP）
此时S32DS将切换到调试视图。
单击Resume（继续）图标（或按F8键）运行代码（图12）。
单击Disconnect（断开连接）（图12），以避免S32DS IDE调试器和FreeMASTER工具之间的干扰。
图12：Disconnect和Resume按钮可用于切换IDE或测试工具是否可访问被测试的设备。（图源：NXP）
使用MCAT工具调优电机
NXP MCAT工具是一款功能强大的软件工具，设计用于简化电机控制应用（包括使用NXP电机控制硬件平台的应用）的开发和调试。
浏览至FreeMASTER_Control文件夹，双击pmpx文件即可打开MCAT工具（图13）。
图13：双击S32M_PMSM_Sensorless.pmpx文件打开MCAT工具。（图源：贸泽电子）
选择正确的微控制器和电机控制配置文件。
在MCAT界面中输入特定于电机的参数，包括但不限于：
极对数（pp）
额定电压和电流
最大转速（RPM）
反电动势常数和绕组电阻（如果已知）
单击Output File（输出文件）选项卡，然后单击Generate Configuration File（生成配置文件）（图14）。
图14：MCAT的Output File选项卡。（图源：贸泽电子）
按照上传固件部分的第10到第12步添加新配置。
设置速度和电流回路初始的比例-积分-微分（PID）控制增益。MCAT工具可能会提供默认值。
启用电机：
设置所需的工作模式（本项目中使用开环或闭环控制）。
逐步提高速度或占空比，确保电机正确启动。
实时监控关键参数，如电压、电流和速度等。
调整速度和电流回路的PID增益：
先调整比例增益（P），直至响应速度和稳定性达到平衡。
提高积分增益（I），以消除稳态误差。
必要时提高微分增益（D），以抑制振荡。
使用MCAT工具的实时反馈（如波形和数值数据）进一步优化调优过程。
注意：MCAT提供级联驱动结构，支持开环和闭环操作：
标量控制（开环、无反馈）可生成脉宽调制（PWM）信号，用于低速测试。将电机转速设置为50rpm，然后缓慢提高V/rpm系数，直至电机开始旋转。
电流磁场定向控制（FOC）模式可评估电流传感，包括对电流回路PI调节器进行调优。
速度FOC模式可让用户对速度回路PI调节器、斜坡响应等进行调优。
电机带载测试：
对电机施加不同的负载，以模拟实际工况。
监控性能（图15）并调整参数，以确保稳定性和效率。
图15：电机带载测试。（图源：Green Shoe Garage）
调整启动参数，如初始占空比、加速度变化率和启动换向设置，以实现平稳可靠的电机启动。
验证安全功能：
测试电机在过流、欠压或过热等故障工况下的行为。
调整MCAT工具中的故障阈值，确保电机控制器能够正常响应。
调优完成后，根据需要重复第4步和第5步，以更新配置文件。
结语
汽车行业的电气化进程，需要无数的创新以精确的方式结合在一起。其中，降低成本、重量和复杂性对于电动汽车的大规模普及至关重要。NXP S32M276 SiP解决方案将多项关键功能集成到单一封装中，减少了对分立元器件的需求，从而尽可能地降低了系统复杂性，在应对这些挑战方面发挥了关键作用。这种集成通过减少BOM和简化组装流程，直接转化为成本节约。此外，SiP的紧凑性有助于实现整体系统的小型化和轻量化，这对电动汽车尤为重要，因为重量的减轻直接关系到续航里程和性能的提升。
通过在统一封装中支持高性能计算和先进的电机控制，S32M276还有助于开发更高效的空调控制系统。其优化的架构可精确控制电机、提高能效并降低车辆能耗，从而提升每次充电后的行驶里程，增强电动汽车对消费者的整体吸引力。总之，NXP S32M276等嵌入式系统不仅有助于加快电动汽车的普及步伐，还有助于为更可持续的未来铺平道路。
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