原文传递
基于RISC-V指令集架构的电机驱动MCU设计
| 论文题名： | 基于RISC-V指令集架构的电机驱动MCU设计 |
| 关键词： | 燃油汽车;电机驱动;MCU设计;RISC-V指令集;无刷微控制器 |
| 摘要： | 在“双碳”战略大力推行的社会背景下，新能源汽车相对传统燃油汽车在智能环保、安全高效和驾驶性能等方面形成了极大的竞争优势，市场的销量和市场渗透率在2021年后快速增长，未来不可估量。汽车驱动电机是电动汽车最重要的部件之一，其取代了传统燃油发动机，将电能转化为机械能，其质量和效率直接影响电动汽车的续航里程、爬坡角度、噪音和振动等方面，对车辆驾驶的安全性和舒适性产生直接的影响。而微控制器需要对驱动电机的运行进行精确控制和管理，因此不断提高电机驱动微控制器的效率和精度已经成为电动汽车制造企业的核心竞争力，自主可控、高效灵活的电机驱动控制芯片是汽车行业电子系统急需的高品质半导体产品。 本文所实现的汽车电机驱动无刷微控制器采用了基于RISC-V指令集架构的处理器内核，相对于复杂指令集架构，省去了冗余指令，针对电动汽车的应用场景降低设计成本和功耗。使用四级流水线结构、指令预取缓冲buffer、前向旁路缓冲单元等技术提高处理器效率和性能。微控制器通过AXI-LITE总线将内核模块、外界通信模块以及电机驱动加速系统互联互通。 本文使用硬件电路实现FOC矢量控制策略，其作为控制驱动加速系统集成进微控制器整体，与软件实现相比，缩短了函数运算所耗时间，减轻了处理器多任务压力。在实现永磁同步电机的驱动控制系统方面，根据算法需求将系统进行模块划分成坐标变换模块、空间矢量脉宽调制模块和位置估算模块进行各自开发，提高开发效率且兼备可扩展性。在采集电机转子信息方面，本文采用无刷控制策略，通过滑模观测法获取转子位置信息，克服了传统机械传感器技术所带来的缺点。 在完成了RTL设计工作后，本文对微控制器各个模块均进行验证、仿真和测试，编写不同模块的测试程序，分析输入数据、检测输出结果等，确保模块的功能和时序的正确性。完成验证工作后，基于CSMC110纳米制造工艺对微控制器进行了逻辑综合和性能分析。最后，本文使用FPGA开发板搭建了整体软硬件平台，包括电机驱动微控制器、驱动电路、信号采样器以及PMSM电机，对FOC系统进行了整体仿真和观察。实验证明，本文所设计的微控制器对运行在中高速状态下的电机具有良好的控制性能，具体表现在能够在短时间做出调整、达到驾驶者所需的转速，并且受到负载变化等扰动时能够迅速回归稳定。 |
| 作者： | 谭菲 |
| 专业： | 集成电路工程 |
| 导师： | 李威 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 电子科技大学 |
| 学位年度： | 2023 |
检索历史
应用推荐
