不管是工業自動化領域，還是汽車領域，抑或是生活家電領域，各個終端市場對電機性能都提出了更高的要求。它們不僅需要電機能夠做到高效率和多功能控制，還需要電機在追求高轉速的同時實現低噪音低振動的控制效果。在與日俱增的高標準性能要求下，高性能成了電機芯片競爭的關鍵。

縱觀整個電機控制芯片市場，從低成本通用伺服驅控到中高性能通用伺服驅控，長于控制的MCU單芯片方案都是最常見且最受歡迎的，而且現在VC/FOC功能幾乎已成為電機MCU的標配，是體現控制能力的核心競爭力。

雖然嚴格來說，VC和FOC二者概念上是有差異的，但在大多數場景里，二者指的是同一種控制方法。VC矢量控制(Vector Control)將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，是目前無刷直流電機(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)高效控制的最優方法之一。

VC矢量控制不僅解決了自然坐標系上實現電機速度、電流閉環負反饋控制難的問題，而且保證了優良的速度、轉矩輸出性能，在工控、汽車、家用、3D打印等行業得到了迅速的發展，成為主流電機控制的基本架構，其控制原理如下圖所示：

圖1 VC原理

如上圖所示，VC矢量控制的核心源自于閉環負反饋，因此其帶寬是電機控制產品最重要的衡量指標之一。具體來說，高帶寬能夠帶來更快的指令響應時間和更優異的高頻擾動抑制能力，這種能力最終體現在電機層面上的是更高的控制精度、更高的控制效率、更低的噪音和電機抖動。

而代碼執行時間決定了帶寬，是電機控制產品不可逾越的指標之一，這也造成了目前市場上電機控制產品性能輸出有差異的現象。歸根結底，電機控制的差異取決于芯片性能。其限制因素特別體現在以下三個方面：

主控芯片主頻限制：芯片主頻不夠高，無法做到高速運算，以及提升帶寬;

外環代碼執行限制：內環代碼通過原廠提供的硬件化方法可以執行很快，但是外環代碼執行依舊不夠快;

代碼硬件化限制：芯片所有代碼硬件化，卻產生了開發難以及無法做一些常見電機控制算法等問題。

因此想要實現更優秀的控制性能，電機控制MCU的選擇非常關鍵。上海先楫半導體已經量產的RISC-V內核HPM6700/6400系列芯片抓住了上述主要矛盾，通過提升主頻來解決電機控制行業的痛點，得益于RISC-V本身的簡潔性和模塊化設計，CPU能運行在更高的頻率，帶來更高的性能。以HPM6700/6400系列芯片為例，參數如下圖所示：

圖2 先楫HPM6700/6400系列芯片

HPM6700/6400系列高性能MCU展示了先楫半導體高性能芯片的研發實力，HPM6700/6400系列主頻高達816MHz，不僅能夠解決上文提到的電機控制性能的三大限制，而且契合現在電機多核驅控一體的發展趨勢。HPM6700/6400系列還為電機系統提供了精度達2.5ns的4組共32路PWM輸出以及4個正交編碼器接口和4個霍爾傳感器接口，完美適配高性能電機控制和數字電源運動控制系統。

< 解決方案分享>

先楫HPM6000系列芯片的1us電流環

圖3 案例時序

案例使用先楫HPM6000系列芯片—HPM6400系列與HPM6300系列，采用圖3所示的電流環時序，分別使用HPM6400系列與HPM6300系列芯片實測VC矢量控制中的電流環執行時間。具體而言：從提升電流內環帶寬的角度出發，將圖1中的VC結構劃分為外環(位置速度環)、內環(電流環)，如圖4所示：

圖4 等效VC結構

在VC矢量控制中，由于采用了坐標變換，dq軸電流在穩態情況下都是直流給定，而只在加減速或者突加減負載的時候，速度環會等效輸出一個階躍指令，電流環的帶寬就是電流環能夠以多快的速度去響應這個指令，帶寬越大響應越快。所以說電流環執行時間直接決定了電流環的帶寬，是電機控制產品必須考量的指標。

結果，先楫半導體已量產系列芯片實測的電流環執行時間如下圖所示：

圖5 HPM6400、6300系列芯片電流環執行時間實測數據

如圖5所示，HPM6300系列芯片的電流環執行時間接近1us，HPM6400系列電流環執行時間更是控制在1us以內，該優勢不僅能夠提升帶寬，更是說明了先楫高性能芯片能夠帶來高速運算能力，實現復雜電機控制算法(如多電機同步、參數辨識、SVC(Senseless Vector Control)、諧波注入等)與電流環的同步，甚至是以更高的頻率執行。在高性能先楫HPM6000系列芯片的加持下，電機產品能夠不失精度地展現出更優異的控制性能。

高性能電機控制

HPM6000系列芯片介紹

HPM6700/6400系列為HPM6000系列的旗艦產品，采用RISC-V內核(*67為雙核，64為單核)，主頻達816MHz，憑借先楫半導體的創新總線架構、高效的L1緩存和本地存儲器，創下了高達9220CoreMark和高達4651 DMIPS 的MCU性能新紀錄。

除了高算力RISC-V CPU，HPM6700/6400系列產品還創造性地整合了一系列高性能外設，包括支持2D圖形加速的顯示系統、高速USB、千兆以太網、CAN FD等通訊接口，高速12位和高精度16位模數轉換器，面向高性能電機控制和數字電源的運動控制系統。

HPM6300系列是HPM6000系列的另一款力作，采用單核32位RISC-V處理器，主頻超過600 MHz，性能超過3390CoreMark和1710 DMIPS。同時，HPM6300系列支持雙精度浮點運算，模擬模塊包括16位模數轉換器，12位數模轉換器和模擬比較器，配以多組納秒級高分辨率PWM，為電機控制和數字電源應用提供強大硬件支持。

審核編輯：湯梓紅