高度整合的微控制器簡化精準且有效率的馬達控制設計

我兒子在高中時加入了機器人社，那時我感到十分驕傲。沒過多久，他就開始向我提出一些常見的設計問題。他遇到的一大挑戰是如何找到精準、高效率、容易使用的馬達控制硬體。

專業領域中，在設計家用電器到工業自動化產品時，也都有同樣的需求，因此我對 Infineon 的新款 PSOC Control C3 微控制器單元 (MCU) 很感興趣。

用於進階馬達控制的高效能架構

PSOC Control C3 系列是高效能且高效率的先進馬達控制解決方案。這些 MCU 以 Arm Cortex-M33 核心為基礎，具有數位訊號處理 (DSP) 和浮點單元 (FPU) (圖 1)。此核心由針對系統最佳化的高效能周邊裝置輔助，這些周邊裝置是使用採用碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬能隙技術的電源裝置。

圖 1：PSOC Control C3 MCU 具有強大的周邊裝置，以 Arm Cortex-M33 核心為基礎，並含 DSP 和 FPU。(圖片來源：Infineon)

其中三個 Control C3 MCU 周邊裝置特別值得注意：

• 高效能 12 位元連續漸近暫存器 (SAR) 類比數位轉換器 (ADC) - 可對多達 16 個類比訊號進行真正同步閒置取樣。這能夠準確擷取快速變化的波形，例如磁場導向控制 (FOC) 系統中的馬達相位電流或太陽能逆變器中的電網電壓。
• 可選用座標旋轉數位運算器 (CORDIC) 數學加速器 - 將三角函數等其他超越函數從 Arm 核心卸載。有益於 FOC 系統中的 Park 轉換和併網電力轉換中的鎖相迴路 (PLL) 等演算法。
• 計時器／計數器脈寬調變 (TCPWM) 模塊 - 可以產生精準的切換訊號，並且整合動作介面 (MOTIF)，為感測器架構的馬達控制設計中使用的霍爾編碼器和正交編碼器提供直接硬體支援。

這些特性共同為高效率馬達驅動器、數位電源供應器、再生能源系統等要求嚴苛的應用提供緊密整合的解決方案。

其他值得一提的特點包括豐富的 I/O 和低功率模式，可將功耗降低到 1 µA 以下，以及 PSA 認證的 Level 2 安全性，可防止篡改，同時符合 IEC 60730 Class B 和 IEC 61508 SIL 2 標準，確保功能安全。

最佳化成本與兩款 MCU 能力的比較

並非每個設計都需要所有功能，加上預算可能緊繃，因此 PSOC Control C3 提供兩種版本：成本最佳化的入門產品和更強大的主線產品。入門產品的主要特點包括 100 MHz Arm 核心、6 MSPS ADC，以及 48 引腳或 64 引腳封裝。

主線產品則升級為 180 MHz 處理器、12 MSPS SAR ADC，並增加 80 引腳封裝選項。此外，其 PWM 計時精密度提高至超過 100 ps，因此能控制 200 kHz 以上的切換頻率。

PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 (圖 2) 展現主線產品的功能。此 MCU 將 180 MHz Arm Cortex-M33F 核心與 256 Kbytes 快閃記憶體整合在單一 PG-LQFP-80 封裝中。特別適合機器人和電動單車馬達控制器等高挑戰應用，符合其效能所需。

圖 2：PSC3M5FDS2AFQ1XQSA1 主線 MCU 採用 PG-LQFP-80 封裝，整合 180 MHz Arm Cortex-M33F 核心和 256 KB 快閃記憶體。(圖片來源：Infineon)

利用評估套件加速馬達控制設計

若設計人員有興趣使用 Control 3 系列，推薦採用 KITPSC3M5EVK 評估套件 (圖 3) 入門。此套件搭載 PSC3M5FDS2AFQ1 MCU，可讓設計人員存取 PSOC Control C3 的全部功能。

圖 3：KITPSC3M5EVK 評估套件提供多種排針座，用於使用 PSOC Control 3 MCU 進行概念驗證作業。 (圖片來源：Infineon)

此電路板設計簡潔，適合在試驗電路板上進行實驗。還提供 MIKROE mikroBUS 擴充板、Arduino Uno R3、Infineon Shield2Go 介面排針座，方便擴充。總之，這是周邊裝置測試、概念驗證作業，以及初始程式碼開發的可行選擇。

若想直接開始馬達控制設計，可選用更進階的套件，如 KIT_PSC3M5_CC2 (圖 4)。此綜合平台也以 PSC3M5FDS2AFQ1 MCU 為核心，包含用於功率級控制的整合式閘極驅動器、用於相位電流量測的電流感測電路，以及用於獨立作業的板載電源供應器。這是馬達控制器開發、FOC 演算法測試，以及系統級驗證的絕佳選擇。

圖 4：KIT_PSC3M5_CC2 是用於馬達控制原型設計的靈活平台。(圖片來源：Infineon)

這兩款開發板和 PSOC Control C3 系列皆受 Infineon 開發生態系統 ModusToolbox 支援。ModusToolbox Motor Suite 提供專為馬達控制應用設計的即用型程式碼範例和工具，讓您能夠快速從評估轉換到實作。此外，還支援與眾多第三方 IDE 和建置系統直接整合，讓您可以靈活調整工作流程至其偏好的工具鏈。

結論

無論您是動作控制的新手 (像我兒子一樣)，還是經驗豐富的設計師，正在尋找最新技術，PSOC Control C3 MCU 都能為您提供所需的功能。具備 CORDIC 加速器和同步 ADC 等先進功能，提供令人印象深刻的馬達控制能力。最重要的是，這些功能都整合在一個高效率 MCU 中，為成本敏感的設計開啟新的可能。