新一代控制器XMC4000在三电平逆变器中概要.doc

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1、 英飞凌新一代控制器 XMC4000在 三电平逆变器中的应用 -北京晶川电子SEP. 2012 三电平逆变器控制策略 三电平逆变器的控制策略主要是 PWM 控制 技术所谓 PWM 技术,就是利用半导体器件的开通和关断,把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列, 以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波的一 种技术。目前常用 PWM 控制策略有:单脉冲控制方式多载波控制方式空间电压矢量(SVPWM 控制方式 三电平逆变器通常采用 矢量控制 技术 和 直接 转矩控制 技术三电平逆变器的中点电位平衡是影响逆变器可靠性的关键因素之一设计中需要机、电、热、磁及其相互的耦合 英飞凌控制器 XMC4000 家族概

2、况 XMX4000 家族主要资源 XMC4000内核(Cortex-M4主要特点Cortex-M4内核特点:RISC 处理器:高性能 32位 CPU 、运算能力可达1.25DMIPS/MHzThumb-2指令集:16/32位指令的最佳混合,提 供最佳代码密度低功耗模式:集成的睡眠状态、多电源域、基于架构的软件控制嵌套矢量中断控制器 (NVIC:低延迟、低抖动中断响应、不需要汇编编程、以纯 C 语言编写的中断服务例程。能完成出色的中断处理;工具和 RTOS 支持:广泛的第三方工具支持、Cortex 微控制器软件接口标准 (CMSIS、最大限度地增加软件成果重用,缩短新产品的上市时间调试和跟踪:包

3、括 JTAG 和 SWD 模式、支持多处理器、实时跟踪ARM Cortex-M4高效的信号处理功能与低功耗、低成本和易于使用的优点组合,可满足电机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化以及新兴市场等灵活应用。 XMC4500 产品的结构框架 XMC4500产品的主要特性强大的运算能力Cortex-M4:32位 CPU ,工作频率 120MHz集成 DSP 指令集单精度浮点运算单元 (FPU灵活的事件处理嵌套矢量中断控制器 (NVIC事件请求处理单元 (ERUDMA丰富的安全机制存储器保护单元 (MPU灵活的 CRC 校验单元 (FCEWDT片上存储器高达 1024KBytes Flash

4、、 4KB 程序缓存(ICache 64KByte PSRAM, 64KBytes DSRAM32KBytes Communication RAM XMC4500产品的主要特性通信 /人机交互单元以太网控制器 3个通用串行单元(USIC MultiCAN (3个节点 USB OTGLEDTS SDMMC 接口外部总线接口(EBU 模拟信号相关外设4核 ADC 、 12位精度、 28通道 4通道 Delta-Sigma 解调器 2路 DAC 、 12位精度驱动控制相关外设2 x CCU8 (捕获比较单元8 4 x CCU4(捕获比较单元4 2 x POSIF(位置信号接口单元其他RTC Die

5、Temperature Sensor (DTS 芯片仿真支持 8个硬件断点, CoreSight, Trace支持 JTAG, SWD, 单线 Trace封装形式:PG-LFBGA-144, PG-LQFP-144, PG-LQFP-100 工作温度范围:-40 85 , -40 -125 工作电压 : 3.2 3.6V XMC4500产品的关键特性 DMA 及 USIC DMA 两个专用 DMA 单元 以太网, USB 两个通用 DMA 单元12路 DMA 通道每通道均配置 FIFO (8-32Byte, 支持 Burst Mode可编程通道优先级分散-收集模式(Scatter-Gather

6、 USIC 可以软件灵活的配置为 UART (LIN、 SSC 、 IIC 、 IIS USIC 在 XMC4000系列中的新特性支持 Single/Dual/QuardSPI 支持最新的 Serial NAND Flash Serial NAND Flashe.g. Spansion: S25FL032P支持最多8个片选信号生成多个从设备访问 硬件自动根据配置选择片选信号 XMC4500产品的关键特性 驱动控制外设 驱动控制主要相关外设:多功能定时器CCU4 Capture Compare Unit 4 CCU8 Capture Compare Unit 8 POSIF 位置接口单元定时器:

7、1个系统时钟(Cortex M4内核24位定时器,向下计数,自动重载CCU4每个 CCU4模块包含 4路 16位多功能定时器CCU8每个 CCU8模块包含 4路 16位多功能定时器XMC4000 定时器个数=1 + (CCU4模块数 X 4 + (CCU8模块数 X 4 XMC4500产品的关键特性 CCU4 XMC4500产品的关键特性 CCU8 XMC4500产品的关键特性 CCU8 XMC4500产品的关键特性 POSIF 特性包含两个模块每个模块支持增量编码器霍尔传感器多通道模式与 CCU4、 CCU8配合进行位置、速度的检测 与CCU8配合进行直流无刷电机控制 示例 增量编码器信号处

8、理 XMC4500产品的关键特性 模拟部分 DSDDelta-Sigma ADC转换精度高(过采样动态范围大 解调器 (DSD 特性4个 DSD 通道梳状滤波器及积分单元辅助梳状滤波器及比较器用于快速边界检测 支持旋变激励信号生成及反馈信号处理 载波信号生成单元载波消除信号延迟补偿以及同步积分中断信号产生及 DMA 支持 . 解调器 (DSD 应用隔离电流测量直接通过电阻测量相电流宽动态输入范围,在各种负载均能得到 较高的转换精度过流保护及滤波功能多相电流同步采样可与 PWM 同步,且积分窗口可控,避开噪声 旋变信号接口低成本激励信号生成 反馈信号解调,自动载波解调及积分功能 XMC4500产

9、品的关键特性 模拟部分 ADCADC 电气参数内核个数4转换分辨率 12位精度 TUE +/-4LSB参考电压范围 1,0 3,65V 采样时间 min. 67ns 转换时间 min. 483ns 12Bit双通道 DAC 单元:波形生成器功能:支持正 弦、三角、自定义信号生 成噪声信号生成 (12位伪随 机数 斜坡信号生成 (12位 灵活的触发源DAC 定时器或外部信号( 8路支持连续数据传输(FIFO 、 DMA ADC 主要特性: XMC4500在三电平逆变器中的应用 光伏逆变器 三电平光伏逆变器结构框图 XMC4500在三电平逆变器中的应用 光伏逆变器光伏逆变器应用资源需求 XMC45

10、00资源特性 光伏逆变器(三电平 通过捕获比较单元 CCU8产生脉冲 通过电流隔离 - 调制器测量相电流和热电压 - 调制器(DSD 交错的 Buck/Boost整流功率因数校正(PFC 通过捕获比较单元 CCU4产生脉冲 线同步 通过捕获比较单元 CCU4做时间测量 通过互联网做远程控制和数据采集 以太网控制器(MAC 显示端口 快速 SPI 接口(速度高达 20M 通过热插拔接口作数据访问服务 USB2.0 OTG接口电池供电的实时时钟 RTC 单元三电平光伏逆变器资源需求 三电平光伏逆变器对 MCU 资源需求专用 PWM 单元 CCU80可最多硬件同步输出 16路 PWM信号,满足三电平

11、逆变器需要 12路驱动 PWM 信号的特殊要求。 带有快速硬件保护机制专用 PWM 单元 CCU81或者 CCU4产生 DC/DC电路所需的 PWM 信号产生 Boost 实现 MPPT 功能的两路 PWM 信号可支持 4路同步转换的高性能 12位 ADC 单元(共 26通道满足电流,电压,频率,相位等多个物理量实时采集和及时获得精确结果 的需求Cache 以及 两路通用 DMA 单元Cache 能够实现 CPU 与 Flash 之间的运算真正的零等待支持 12路通道的 DMA 数据传输,及时把外设数据结构传送到 CPU 处理 丰富的外围接口 USIC , MultiCAN 以及 Ethern

12、et 单元 满足客户系统网络化需求。集成 DSP 以及浮点运算功能,可带给产品较强的处理能力,轻松实现复杂功能。 专用单元 CCU8便捷实现 PWM 控制MCU 基本特性2路 CCU8单元每路 CCU8单元由 4组子单元组成,每个子单元都包含了独立的定 时器及两个死区时间,可同时输出 4路 PWM 信号可产生 8对互补带死区的中间对齐、边沿对齐或者单次触发三种模 式的 PWM 信号,用于逆变器或者电机控制CCU8内部定时器可由外部事件启动(如 ADC 等输出电平可根据功率级要求进行选择设定外部信号输入 /CTRAP实现紧急停止(停止所有 PWM 输出, 用于实现过流,短路等故障时的紧急状态保护

13、。轻松生成三电平光伏逆变器和 MPPT 所需的PWM 信号并实现可靠保护 丰富的通信接口资源满足网络化控制需求三个通用串行接口模块 USIC可配置最多 6路 USIC 单元可灵活编程用作 UART 、 SPI 、 LIN 、 I2C 等接口因为目前物联网的使用趋势,很多产品都要求配备 Ethernet 接口,为客户后期产品更新 换代做好准备以 DAVE App形式提供相关软件,包括标准 IP,TCP,UDP 协议栈,提供标准接口,方便用 户程序访问MultiCAN 控制器这是在自动化控制行业应用最多的通信接口之一USB 控制器能够更加便利的和 PC 做数据交换SD/MMC控制器在数据存取方面带

14、来更大的便利,方便存储历史数据支持触摸屏通讯接口一般根据产品和厂家自己要求而定:三电平光伏逆变器主要采用 RS485和 Ethernet三电平电机控制器主要采用 RS485和 MultiCAN 内嵌安全特性提高系统可靠性(1Flash 的高可靠性 硬件错码校验 (ECC 64位数据对应 8位 ECC 码检测并校正一位错误;检测两位错 误,并给出中断ECC 能将错误率减少几个数量级! !大容量 Flash , ECC 的作用更明显 具有灵活的 CRC 校验单元(FCE 包含4个 CRC 内核,支持常见的 CRC 多项式支持IEEE 802.3(CRC 32-bitCRC-CCITT(CRC 16

15、-bitSAE-J1850 (CRC 8-bit 具有自检模式 内嵌安全特性提高系统可靠性(2芯片具有多种保护机制读保护、写保护32位密码保护如果密码输入错误,则下次复位前解密操作无效 可配置保护策略三个配置文件(UCB0,UCB1,UCB2可保护的扇区范围可定义保护形式:读保护,写保护, OTPUCB0,UCB1支持临时解锁OTP 模式,仅可以写一次(UCB2 XMC4500与 TI 高端主流 DSP 产品比较TMS320F2812TMS320F28335XMC4502XMC4500备注CPU 32位 C28x 32位 C28x Cortex-M4Cortex-M4 Cortex-M4是 A

16、RM 公司 2010年推出的处理器,集 成了 MCU 和 DSP 功能主频(MHZ 150150120120 高性能 32位内核,运算能力可达 1.25DMIPS/MHzRAM 36KB 68KB 160KB 160KB RAM 更大,而且 XMC 还有 4KB 的 Cache Flash 256KB 512KB 768KB 1024KB Flash 更大,可以尽可能的较少外扩,节省成本 EMIP (数据线宽 16-Bit 32/16-Bit32/16-Bit32/16-BitXMC4500采用 ARM 内核的统一外扩结构 DMA 无 6-Ch 14-Ch 14-Ch XMC4500共 4个

17、DMA 单元,共 14通道 PWM 16-Ch 18-Ch 50-Ch 83-Ch XMC4500众多 IO 口都具有 PWM 输出或捕获功能捕获 /正交编码 6-Ch/2路 6-Ch/2路 16-Ch/2路 16-Ch/2路 XMC4500捕获通道更多,而且都是独立的寄存 器,功能更强大ADC 通道 /位数 16-Ch/12 bit16-Ch/12 bit26-Ch/12 bit26-Ch/12 bitXMC4500的通道数更多,选择性更大。ADC 转换时间 80ns 80ns 483ns 483ns 根据实际应用,看是需要速度还是需要精度, XMC4500有效精度 10位半UART 2 S

18、CI3 SCI66 通用串行接口方式,具体采用何种通信协议由工 程师自己决定, 在产品的应用中更加灵活方便。SPI 11 IIC 无 1USB 无 无 OTG OTG XMC4500的 USB 可以根据需求配置 Device 或者 OTG 模式CAN 1233端口更多,选择性更大以太网 无 无 有 有 XMC4500更易满足客户后期产品升级 定时器 3个 32位 GP , 1个 WD 3个 32位 GP , 1个 WD 26个 16位 26个 16位 用于 PWM 模式的基本上都是 16位定时器,GPIO 56885591 GPIO 个数需要根据实际产品应用选择,基本上 都有适合客户产品的型号内核供电 1.9V 1.9V 1.8V 1.8V Cortex-M4核更具低功耗性能 IO 电压 3.3V 3.3V 3.3V 3.3V封装 LQFP176LQFP176LQFP100LQFP144XMC4500的封装更加简化业界第一颗单 PWM 模块可以直接驱动三电平逆变器产品 英飞凌技术社区提供源码以及使用文档支持 后记感谢您对北京晶川电子的鼎力支持!