基於GD32E230/F303系列MCU的無感微型馬達方案設計

牙科手機又稱為口腔手機，是口腔科專用的醫療器材。自問世以來，以其非凡的轉速受到患者和操作者的歡迎，迅速取代電動手機，成為當今牙科工作中不可或缺的一部分。缺少工具

本方案採用兆易創新的GD32E230/F303系列MCU作為主控。具有快速、穩定、噪音低、成本低等特性。牙科可用於夾持高速牙車針，用於鑽孔、研磨、清潔和美容護理等。

電機方案電氣參數

· 轉速≥300000rpm，最大扭力範圍0.075-0.15N.cm

· 前進/後退/速度控制/速度顯示

· 多路閥控制

· 噪音<70dB

1.GD32E230無感方波控制低成本方案

程序功能

採用Arm Cortex-M32核心的GD230E23加值MCU作為主控。在無感方波控制中，主要是透過反電動勢過零點來取得換相信號（反電動勢過零點訊號與馬達換向訊號異相 30° 電角度）。為了獲得反電動勢過零訊號，採用硬體比較器的方法，將偵測到的端電壓值與馬達中性點電壓進行比較，得到反電動勢過零訊號。

此方案具有電路簡單、成本低廉的特點，主要應用於牙齒清潔設備、牙齒護理等場合。

解決方案電路板

GD32E230系列MCU主要規格

· Cortex-M23@72MHz，55DMIPS處理性能

· 快閃記憶體：64KB/32KB/16KB

·靜態隨機記憶體：8KB/6KB/4KB

· 高速高精度ADC，12Bits ADCx1@2.6Msps，10頻道

· 進階定時器 x1，可產生 6 個互補 PWM 輸出，死區時間可調

· 通用定時器 x5

· Flash具有硬體加密保護

· 多種串列通訊方式：I2Cx2、SPIx2、UARTx2；

· 豐富的封裝類型：TSSOP20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP32/LQFP48

· 供電電壓：1.8V~3.6V

· 獨立資源，例如單週期硬體乘法器、硬體除法器、硬體除法器、巢狀向量中斷控制器 (NVIC)

· 工業級工作溫度範圍：-40℃~105℃

· 工業 ESD 特性：6000 伏

2. GD32F303無感FOC控制高性能解決方案

程序功能

無感FOC控制主要利用馬達的數學模型和一些自動控制原理的知識來實現對馬達的控制。在無感FOC控制中，通常需要利用對應的觀測器來間接取得轉子位置，以獲得更好的系統動靜態特性、控制精度、反應速度和穩定性能。此方案採用基於Arm Cortex-M32核心的GD303F4主流MCU設計。 GD32F303自帶浮點運算功能，可透過浮點運算更好地控制PID比例參數設定，動態響應快。

控制方法採用滑膜環觀測器法（具體公式與原理請參考無刷直流馬達控制應用資料）。它是利用自動控制原理中滑膜變結構的控制原理來實現的。滑膜的變結構其實是變結構控制系統的控制策略。通常稱為“滑動模式”或“滑動模式”運動。這種滑模與系統的參數和擾動無關，並且可以設計，因此系統具有良好的穩健性。

解決方案技術亮點

無刷無感直流馬達的啟動是非常關鍵的一步。為了實現快速穩定啟動和低雜訊的特點，本方案採用I/F啟動方式。 I/F啟動方法的核心是在電樞繞組中產生振幅跟隨參考值且頻率逐漸增加的旋轉電流向量，使轉子加速啟動。其特點是工作在速度開環、電流閉環狀態。定子繞組電流經過座標變換後，投影到由指令位置角落決定的旋轉座標系上，並受到期望值的約束，可以有效避免過流。其控制框圖如下圖所示。

此方案的高低速轉速均可達到100~380,000 RPM，適用於微型高速馬達應用，如醫用牙科高速手機、磨床等。

解決方案電路板

GD32F303系列MCU主要規格

· Cortex-M4@120MHz主頻，150DMIPS處理性能

· 快閃記憶體：256KB~3072KB

· 靜態記憶體：48KB~96KB

· 供電電壓：2.6V~3.6V

· 3個12位元ADC@2.6Msps, 21ch

· 1個24位元SysTick定時器系統節拍定時器，最多4個通用16位元定時器，2個基本定時器和1個​​增強定時器

· 多種串列通訊方式：I2C x2、SPI x3、USART+UART x5

· 豐富的封裝類型：LQFP48/LQFP64/LQFP100/LQFP144

· 獨立資源，例如單週期硬體乘法器、硬體除法器、硬體除法器、巢狀向量中斷控制器 (NVIC)

· 浮點單元

· 工業級工作溫度範圍：-40℃~85℃