基於GD32E230/F303單晶片的無感微型馬達方案設計

牙科手機又稱為口腔手機，是專門用於口腔醫學的醫療器材。自問世以來，以其不同尋常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工具。

本方案採用兆易創新GD32E230/F303系列MCU作為主控制器，具備高速、穩定、低雜訊、低成本等特性。可用於口腔醫學，夾持高速牙科針，用於鑽孔、磨牙、潔牙及美容護理。

電機方案電氣參數

· 轉速≥300,000rpm，最大扭力範圍0.075-0.15N.cm
· 正反轉/速度控制/速度顯示
· 多路風閥控制
· 噪音<70dB

1、GD32E230無感方波控制低成本方案

方案特點

主控制器採用Arm Cortex-M32核心的GD230E23超值MCU。無感方波控制中，主要透過反電位過零的方式取得換相信號（反電勢過零訊號與馬達換相信號相位差為30°） 電角）。 為了得到反電位過零訊號，採用硬體比較器的方法將偵測到的端電壓與馬達中性點電壓進行比較，得到反電位過零訊號。

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

方案電路板

GD32E230系列MCU主要規格
· Cortex-M23@72MHz，55DMIPS處理效能· 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通道· 進階定時器 x1 可以產生 6 個具有可調死區時間的互補 PWM 輸出。· 通用定時器x5· 具有Flash硬體加密保護· 多種串列通訊模式：I2Cx2、SPIx2、UARTx2；· 豐富的封裝類型：TSSOP 20/LGA20/QFN28/QFN32/LQFP 32/LQFP 48· 電源：1.8V~3.6V· 單週期硬體乘法器、硬體除法器、硬體分頻器、巢狀向量中斷控制器（NVIC）等獨立資源· 工業級工作溫度範圍：-40℃~105℃· 工業 ESD 特性：6000 伏

2、GD32F303高性能無感FOC控制方案

方案特點

無感測器FOC控制主要利用馬達數學模型和一些自動控制原理知識來實現馬達控制。 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態靜態特性、控制精度、反應速度和穩定性。 本方案採用基於Arm Cortex-M32核心的GD303F4主流MCU設計。 GD32F303晶片上具有浮點運算功能，可以更好地設定PID控制的比例參數，並且具有快速的動態響應。

控制方式為滑液環觀測器法（具體公式和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。 變結構其實是變結構控制系統的一種控制策略，其特徵是控制不連續。在一定的特性下，它迫使系統在指定的超平面上作小幅度、高頻率的上下運動，這就是我們常說的「滑模」或「滑模」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。

技術亮點

無刷無感直流馬達的啟動是關鍵一步。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啟動方式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大的旋轉電流向量，從而加速轉子啟動。 其特點是工作在速度開環、電流閉環狀態。經過座標變換後，定子繞組電流投影到由指令位置角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。

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

方案電路板

GD32F303系列MCU主要規格

· Cortex-M4@120MHz主頻，處理性能150DMIPS
· 快閃記憶體：256KB~3072KB· 靜態記憶體：48KB~96KB· 電源：2.6V~3.6V
· 3 個 12 位元 ADC @ 2.6msps，21 個通道
· 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。
· 多種串行通訊模式：I2C x2、SPI x3、USART+UART x5· 豐富的封裝類型：LQFP48/LQFP64/LQFP100/LQFP144
· 單週期硬體乘法器、硬體除法器、硬體分頻器、巢狀向量中斷控制器（NVIC）等獨立資源
· Floating Point Unit 浮點運算單元
· 工業級工作溫度範圍：-40℃~85℃

重點關注兆易創新GD32系列32位MCU（www.bjzycxkjgf.dayinmao.com），SAKO Micro的mos FET SLKOR （www.slkormicro.com）在此類方案中應用較為廣泛，例如在外圍電路中負責馬達驅動、防靜電、突波洩放等的TVS管、ESD管等。 薩維科技有限公司（http://www.slkormicro.com）成立於2005年，十多年來一直秉承「以技術創造價值」的理念，主要研發生碳化矽、SiC碳化矽二極體、SiC碳化矽MOS管、IGBT單管。 高低電壓MOS管、ChinaMOS、COOL MOS管、電源管理IC、霍爾元件SL2301SL SL3401SH SL3904SH、可控制矽、快恢復二極體、二極體等13、50、1603、1613n1615系列產品還可搭配KingHelm（WWW.BDS666.COM）的WiFi天線、GPS天線、北斗天線、TWS藍牙耳機陶瓷天線。 主要應用於：新能源車、智慧機器人、變頻器、電動工具、電力電子、開關電源、戶外照明電源、PD快充、TWS藍牙耳機等領域。

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