無刷直流（BLDC）電機是一種使用直流電源運行的電機，但它依靠的是電子控制器來切換電機繞組中的電流，而非傳統(tǒng)有刷電機那樣使用電刷。這種設計可以減少磨損，使電機更耐用、更高效。沒有電刷就意味著摩擦更少，因而熱損失也更少。BLDC電機具有效率高、功率重量比大、維護成本低、轉速高、扭矩大、運行安靜的特點，非常適合無人機、風扇、泵和電動汽車（EV）等應用。

然而，BLDC電機需要有電子控制器（如微控制器）、反饋機制（如霍爾效應傳感器）等額外元器件才能工作。為簡化BLDC電機和永磁同步電機（PMSM）的設計，NXP Semiconductors推出了S32M276S系統(tǒng)級封裝（SiP）解決方案，該方案集成了高壓模擬功能和高性能Arm? Cortex?-M7微控制器。NXP的S32M2 BLDC/PMSM電機控制評估板和S32M276SFFRD參考設計板支持該解決方案。
本項目將幫助工程師了解使用NXP S32M276SFFRD參考設計板快速高效打造BLDC電機控制應用原型所需的硬件和軟件棧。

項目材料與資源

項目物料清單 (BOM)

NXP S32M276SFFRD參考設計板

NXP S32調(diào)試探針

項目代碼/軟件

S32 Design Studio for S32 Platform v.3.5（需要登錄）

S32M2xx開發(fā)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補丁

項目GitHub代碼庫

其他資源

NXP賬戶（可免費創(chuàng)建）

FreeMASTER運行時調(diào)試工具（需要登錄）

用于S32M27X的AMMCLib（需要登錄）

S32M276電機控制應用程序（需要登錄）

其他硬件

運行Windows 10或更高版本的PC

12V – 24V BLDC電機

12V DC/DC電源

瞬時（開）-關-（開）翹板開關

五個6.3mm FASTON連接器（三個用于電機，兩個用于電源）

FTDI TTL-232R-3V3-WE TTL轉USB串行轉換電纜

剝線鉗

壓線鉗

連接線

USB轉UART開關適配器板（可選，設計文件在GitHub代碼庫中）

項目技術概述

NXP S32M276SFFRD參考設計板（圖1）基于NXP S32M276 SiP，該SiP集成了32位Arm Cortex-M7微控制器和帶有穩(wěn)壓器、柵極驅動器和電流檢測功能的模擬芯片。該參考設計旨在向電機控制應用工程師展示S32M276如何幫助減小印刷電路板（PCB）和BOM尺寸。為便于原型開發(fā)，S32M276SFFRD提供用于UART、CAN/CAN FD（使用內(nèi)部PHY）和JTAG 10引腳連接器等接口的分線板。

圖1：NXP S32M276SFFRD參考設計板。（圖源：貿(mào)澤電子）

硬件概述

本節(jié)介紹如何連接本項目的各種硬件組件。

將電機連接到開發(fā)板

將一個6.3mm FASTON連接器壓接到BLDC電機的A相上。

將第二個6.3mm FASTON連接器壓接到BLDC電機的B相上。

將第三個6.3mm FASTON連接器壓接到BLDC電機的C相上。

將第四個6.3mm FASTON連接器壓接到直流電源的正極線上。

將第五個6.3mm FASTON連接器壓接到直流電源的負極線上。

將電機的A相連接到開發(fā)板的A相連接器上。

將電機的B相連接到開發(fā)板的B相連接器上。

將電機的C相連接到開發(fā)板的C相連接器上。

將電源的正極端子連接到開發(fā)板的電源連接器上。

將電源的負極端子連接到開發(fā)板的接地連接器上。

注意：長時間帶負載運行電機可能會導致電機過熱。請連接合適的負載，或者縮短電機運行時間。

將開關連接到開發(fā)板

將開發(fā)板的VDDE-MCU引腳（圖2）連接到開關的公共端。

將開發(fā)板的PTD0引腳連接到開關的高電平端。

將開發(fā)板的PTE11引腳連接到開關的低電平端。

圖2：將開關連接到電路板。（圖源：Green Shoe Garage）

將計算機連接到開發(fā)板

將JTAG 10引腳連接器電纜的一端插入開發(fā)板。

將JTAG 10引腳連接器電纜的另一端插入S32調(diào)試探針。

將USB轉UART開關適配器板（圖3）插入開發(fā)板。

將適配器板的TX信號（LPUART0_TX）連接到TTL-232R-3V3-WE的黃色RX線。

將適配器板的RX信號（LPUART0_RX）連接到TTL-232R-3V3-WE的橙色TX線。

將適配器板的GND信號連接到TTL-232R-3V3-WE的黑色GND線。

將TTL-232R-3V3-WE的USB Type A端插入PC。

注意：GitHub代碼庫中包含USB轉UART適配器板的Gerber文件，從而更加便于將外部器件（如開關）連接到S32M276SFFRD開發(fā)板。

圖3：適配器板可使開發(fā)板與外部元器件的連接更加可靠。（圖源：Green Shoe Garage）

軟件概述

本節(jié)將介紹更新、測試和運行本項目所需的各種開發(fā)應用程序。本文不再重復介紹NXP文檔中的內(nèi)容，但在計算機上設置開發(fā)環(huán)境時，請注意以下事項：

下載和安裝軟件時，請使用指定版本（而非最新版本），并遵循安裝順序。軟件安裝錯誤可能導致代碼編譯失敗、軟件啟動失敗或菜單不完整。

請勿嘗試同時運行集成開發(fā)環(huán)境（IDE）調(diào)試器和測試應用程序（如MCAT），因為它們需要使用同一個COM端口。

S32 Design Studio

NXP S32 Design Studio (S32DS) 是一款專為汽車和工業(yè)應用定制的IDE。它支持為NXP S32系列汽車微控制器和微處理器開發(fā)軟件，這些微控制器和微處理器廣泛應用于各種先進汽車系統(tǒng)，如高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、動力總成和車身控制等。該應用程序基于廣泛采用的Eclipse平臺，可為開發(fā)人員提供熟悉的界面。
S32DS提供全面的工具鏈，包括基于GCC的編譯器、調(diào)試器以及對S32實時驅動程序（RTD）的支持。它提供驅動程序、RTOS、中間件和硬件抽象層，并支持符合AUTOSAR標準的汽車軟件工具和庫。

FreeMASTER

FreeMASTER是一款多功能實時調(diào)試監(jiān)控器和數(shù)據(jù)可視化工具，用于配置和優(yōu)化嵌入式軟件應用程序。它已被汽車主機廠（OEM）和設備制造商廣泛用于各種汽車和工業(yè)應用，具有以下主要功能：

非侵入式監(jiān)控：使用類似示波器的顯示屏、儀表、滑塊和文本數(shù)據(jù)記錄器實時顯示多個變量

集成：與自定義HTML、MATLAB?、Excel和其他可編寫腳本的框架鏈接，將微控制器（MCU）硬件集成到控制回路中

連接性：使用與Python、Node.js、C/C++/C#等兼容的JSON RPC調(diào)用，通過各種通信外設或調(diào)試通道連接到目標系統(tǒng)

嵌入式視圖：在桌面應用程序中集成圖表、表格和網(wǎng)頁視圖

電機控制應用調(diào)優(yōu)工具

NXP電機控制應用調(diào)優(yōu)（MCAT）工具（圖4）是一款功能強大的軟件實用程序，設計用于簡化電機控制應用的開發(fā)和調(diào)優(yōu)，尤其是在使用NXP電機控制硬件平臺和軟件解決方案時。它提供了直觀的界面，用于實時調(diào)整電機控制參數(shù)，并可在電機運行時調(diào)優(yōu)控制回路參數(shù)。這一功能對于微調(diào)性能、盡可能降低扭矩紋波和實現(xiàn)高效率而言至關重要，是電動汽車等應用中電機工程師的寶貴資源。

圖4：NXP MCAT工具有助于調(diào)整電機的性能參數(shù)。（圖源：NXP）

項目開發(fā)

本節(jié)將介紹如何修改源代碼以滿足需求。這些代碼還可以作為模板，根據(jù)項目的需要進行進一步修改。源代碼可從GitHub代碼庫獲取。

在S32DS中編輯源代碼

修改MCAT測試代碼的主循環(huán)，使電機在窗口開關處于活動位置時運行。此代碼假定開關高電平位置為活動，但也可修改為低電平位置為活動。
#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)
{
??? // 將PTD0和PTE11引腳初始化為輸入引腳
??? Siul2_Port_Ip_PinSettingsConfig pinConfig = {
??????? .mux = SIUL2_PORT_MUX_AS_GPIO,
??????? .inputBufferEnable = true,
??????? .outputBufferEnable = false,
??? };
??? Siul2_Port_Ip_Init(1, &pinConfig);
?
??? // 主應用程序循環(huán)
??? while (1)
??? {
??????? // 讀取PTD0和PTE11的狀態(tài)
??????? bool isPTD0High = Siul2_Dio_Ip_ReadChannel(PTD, 0);
??????? bool isPTE11High = Siul2_Dio_Ip_ReadChannel(PTE, 11);
?
??????? // 如果PTD0或PTE11為高電平，則開啟電機
??????? if (isPTD0High)
??????? {
??????????? MOTOR_UP();
??????? }
??????? else if (isPTE11High)
??????? {
??????????? MOTOR_DOWN();
??????? }
??????? else
??????? {
??????????? MOTOR_OFF();
??????? }
??? }
??? return 0;
}
上述代碼重新利用了原本用于霍爾效應傳感器的引腳。這意味著本示例可用于無傳感器配置。

上傳固件

在S32 Design Studio for S32 Platform中導入已安裝的應用程序軟件項目：

啟動S32DS for S32 Platform。

單擊File（文件），然后單擊Import（導入）。

在Import窗口中，展開General（通用）文件夾，然后選擇Existing Projects into Workspace（現(xiàn)有項目導入到工作區(qū)）（圖5）。

圖5：在S32DS中添加現(xiàn)有代碼庫。（圖源：NXP）

瀏覽至下載的項目文件所在的文件夾，選擇父項目文件夾。

選中Copy projects into workspace（將項目復制到工作區(qū)）復選框（圖6）。

單擊OK（確定），然后單擊Finish（完成）。

圖6：確保選中Copy projects into workspace復選框。（圖源：NXP）

展開項目文件夾，雙擊*.mex文件，在S32配置工具中打開項目配置（圖7）。

圖7：*.mex文件將上傳到被測試的設備。（圖源：NXP）

確保配置了正確的項目，然后單擊Update Code（更新代碼）按鈕生成配置文件（圖8）。

圖8：確保在上傳固件之前選擇了正確的設備。（圖源：NXP）

在S32DS中，單擊C圖標（圖9）返回C/C++視圖。

圖9：C圖標可打開C/C++視圖模式。（圖源：NXP）

單擊調(diào)試圖標（圖10）打開Debug Configuration（調(diào)試配置）窗口（圖11），選擇預定義的調(diào)試配置以構建軟件并上傳到MCU。

圖10：調(diào)試圖標可打開Debug Configuration窗口。（圖源：NXP）

圖11：在Debug Configuration窗口中，可以更改固件在調(diào)試期間的運行方式。（圖源：NXP）

此時S32DS將切換到調(diào)試視圖。

單擊Resume（繼續(xù)）圖標（或按F8鍵）運行代碼（圖12）。

單擊Disconnect（斷開連接）（圖12），以避免S32DS IDE調(diào)試器和FreeMASTER工具之間的干擾。

圖12：Disconnect和Resume按鈕可用于切換IDE或測試工具是否可訪問被測試的設備。（圖源：NXP）

使用MCAT工具調(diào)優(yōu)電機

NXP MCAT工具是一款功能強大的軟件工具，設計用于簡化電機控制應用（包括使用NXP電機控制硬件平臺的應用）的開發(fā)和調(diào)試。

瀏覽至FreeMASTER_Control文件夾，雙擊pmpx文件即可打開MCAT工具（圖13）。

圖13：雙擊S32M_PMSM_Sensorless.pmpx文件打開MCAT工具。（圖源：貿(mào)澤電子）

選擇正確的微控制器和電機控制配置文件。

在MCAT界面中輸入特定于電機的參數(shù)，包括但不限于：

極對數(shù)（pp）

額定電壓和電流

最大轉速（RPM）

反電動勢常數(shù)和繞組電阻（如果已知）

單擊Output File（輸出文件）選項卡，然后單擊Generate Configuration File（生成配置文件）（圖14）。

圖14：MCAT的Output File選項卡。（圖源：貿(mào)澤電子）

按照上傳固件部分的第10到第12步添加新配置。

設置速度和電流回路初始的比例-積分-微分（PID）控制增益。MCAT工具可能會提供默認值。

啟用電機：

設置所需的工作模式（本項目中使用開環(huán)或閉環(huán)控制）。

逐步提高速度或占空比，確保電機正確啟動。

實時監(jiān)控關鍵參數(shù)，如電壓、電流和速度等。

調(diào)整速度和電流回路的PID增益：

先調(diào)整比例增益（P），直至響應速度和穩(wěn)定性達到平衡。

提高積分增益（I），以消除穩(wěn)態(tài)誤差。

必要時提高微分增益（D），以抑制振蕩。

使用MCAT工具的實時反饋（如波形和數(shù)值數(shù)據(jù)）進一步優(yōu)化調(diào)優(yōu)過程。

注意：MCAT提供級聯(lián)驅動結構，支持開環(huán)和閉環(huán)操作：

標量控制（開環(huán)、無反饋）可生成脈寬調(diào)制（PWM）信號，用于低速測試。將電機轉速設置為50rpm，然后緩慢提高V/rpm系數(shù)，直至電機開始旋轉。

電流磁場定向控制（FOC）模式可評估電流傳感，包括對電流回路PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)優(yōu)。

速度FOC模式可讓用戶對速度回路PI調(diào)節(jié)器、斜坡響應等進行調(diào)優(yōu)。

電機帶載測試：

對電機施加不同的負載，以模擬實際工況。

監(jiān)控性能（圖15）并調(diào)整參數(shù)，以確保穩(wěn)定性和效率。

圖15：電機帶載測試。（圖源：Green Shoe Garage）

調(diào)整啟動參數(shù)，如初始占空比、加速度變化率和啟動換向設置，以實現(xiàn)平穩(wěn)可靠的電機啟動。

驗證安全功能：

測試電機在過流、欠壓或過熱等故障工況下的行為。

調(diào)整MCAT工具中的故障閾值，確保電機控制器能夠正常響應。

調(diào)優(yōu)完成后，根據(jù)需要重復第4步和第5步，以更新配置文件。

結語

汽車行業(yè)的電氣化進程，需要無數(shù)的創(chuàng)新以精確的方式結合在一起。其中，降低成本、重量和復雜性對于電動汽車的大規(guī)模普及至關重要。NXP S32M276 SiP解決方案將多項關鍵功能集成到單一封裝中，減少了對分立元器件的需求，從而盡可能地降低了系統(tǒng)復雜性，在應對這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮了關鍵作用。這種集成通過減少BOM和簡化組裝流程，直接轉化為成本節(jié)約。此外，SiP的緊湊性有助于實現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化和輕量化，這對電動汽車尤為重要，因為重量的減輕直接關系到續(xù)航里程和性能的提升。
通過在統(tǒng)一封裝中支持高性能計算和先進的電機控制，S32M276還有助于開發(fā)更高效的空調(diào)控制系統(tǒng)。其優(yōu)化的架構可精確控制電機、提高能效并降低車輛能耗，從而提升每次充電后的行駛里程，增強電動汽車對消費者的整體吸引力?？傊琋XP S32M276等嵌入式系統(tǒng)不僅有助于加快電動汽車的普及步伐，還有助于為更可持續(xù)的未來鋪平道路。

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