基于GD32E230/F303系列MCU的无感微电机方案设计

牙科手机又称口腔手机，是口腔科专用的医疗器械。自问世以来，以其非凡的转速受到患者和操作者的欢迎，迅速取代电动手机，成为当今牙科工作中不可或缺的一部分。缺少工具

该方案采用兆易创新的GD32E230/F303系列MCU作为主控。具有快速、稳定、噪音低、成本低等特点。可在牙科中用于夹持高速牙车针，用于钻孔、研磨、清洁和美容护理等。

电机方案电气参数

· 转速≥300000rpm，最大扭矩范围0.075-0.15N.cm

· 前进/后退/速度控制/速度显示

· 多路阀控制

· 噪音<70dB

1、GD32E230无感方波控制低成本方案

程序特点

采用Arm Cortex-M32内核的GD230E23增值MCU作为主控。在无感方波控制中，主要是通过反电动势过零点来获取换相信号（反电动势过零点信号与电机换向信号异相 30° 电角度）。为了获得反电动势过零信号，采用硬件比较器的方法，将检测到的端电压值与电机中性点电压进行比较，得到反电动势过零信号。反电动势。

该方案具有电路简单、成本低廉的特点，主要应用于牙齿清洁设备、牙齿护理等场合。

解决方案电路板

GD32E230系列MCU主要规格

· Cortex-M23@72MHz，55DMIPS处理性能

· 闪存：64KB/32KB/16KB

· 静态随机存储器：8KB/6KB/4KB

· 高速高精度ADC，12Bits ADCx1@2.6Msps，10通道

· 高级定时器 x1，可产生 6 个互补 PWM 输出，死区时间可调

· 通用定时器 x5

· Flash具有硬件加密保护

· 多种串口通信方式：I2Cx2、SPIx2、UARTx2；

· 丰富的封装类型：TSSOP20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP32/LQFP48

· 供电电压：1.8V~3.6V

· 独立资源，例如单周期硬件乘法器、硬件除法器、硬件除法器、嵌套向量中断控制器 (NVIC)

· 工业级工作温度范围：-40℃~105℃

· 工业 ESD 特性：6000 伏

2. GD32F303无感FOC控制高性能解决方案

程序特点

无感FOC控制主要利用电机的数学模型和一些自动控制原理的知识来实现​​对电机的控制。在无感FOC控制中，通常需要利用相应的观测器来间接获取转子位置，以获得更好的系统动静态特性、控制精度、响应速度和稳定性能。该方案采用基于Arm Cortex-M32内核的GD303F4主流MCU设计。 GD32F303自带浮点运算功能，可以通过浮点运算更好地控制PID比例参数设定，动态响应快。

控制方法采用滑膜环观测器法（具体公式和原理请参考无刷直流电机控制应用资料）。它是利用自动控制原理中滑膜变结构的控制原理来实现的。滑膜的变结构实际上是变结构控制系统的控制策略。通常称为“滑动模式”或“滑动模式”运动。这种滑模与系统的参数和扰动无关，并且可以设计，因此系统具有良好的鲁棒性。

解决方案技术亮点

无刷无感直流电机的启动是非常关键的一步。为了实现快速稳定启动和低噪声的特点，本方案采用I/F启动方式。 I/F启动方法的核心是在电枢绕组中产生幅值跟随参考值且频率逐渐增大的旋转电流矢量，从而使转子加速启动。其特点是工作在速度开环、电流闭环状态。定子绕组电流经过坐标变换后，投影到由指令位置角确定的旋转坐标系上，并受到期望值的约束，可以有效避免过流。其控制框图如下图所示。

该方案的高低速转速均可达到100~380,000 RPM，适用于微型高速电机应用，如医用牙科高速手机、磨床等。

解决方案电路板

GD32F303系列MCU主要规格

· Cortex-M4@120MHz主频，150DMIPS处理性能

· 闪存：256KB~3072KB

· 静态存储器：48KB~96KB

· 供电电压：2.6V~3.6V

· 3个12位ADC@2.6Msps, 21ch

· 1个24位SysTick定时器系统节拍定时器，最多4个通用16位定时器，2个基本定时器和1个增强定时器

· 多种串口通信方式：I2C x2、SPI x3、USART+UART x5

· 丰富的封装类型：LQFP48/LQFP64/LQFP100/LQFP144

· 独立资源，例如单周期硬件乘法器、硬件除法器、硬件除法器、嵌套向量中断控制器 (NVIC)

· 浮点单元

· 工业级工作温度范围：-40℃~85℃