無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)是一種使用直流電源運(yùn)行的電機(jī)，但它依靠的是電子控制器來(lái)切換電機(jī)繞組中的電流，而非傳統(tǒng)有刷電機(jī)那樣使用電刷。這種設(shè)計(jì)可以減少磨損，使電機(jī)更耐用、更高效。沒(méi)有電刷就意味著摩擦更少，因而熱損失也更少。BLDC電機(jī)具有效率高、功率重量比大、維護(hù)成本低、轉(zhuǎn)速高、扭矩大、運(yùn)行安靜的特點(diǎn)，非常適合無(wú)人機(jī)、風(fēng)扇、泵和電動(dòng)汽車(chē)（EV）等應(yīng)用。

然而，BLDC電機(jī)需要有電子控制器（如微控制器）、反饋機(jī)制（如霍爾效應(yīng)傳感器）等額外元器件才能工作。為簡(jiǎn)化BLDC電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）的設(shè)計(jì)，NXP Semiconductors推出了S32M276S系統(tǒng)級(jí)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(jī)控制評(píng)估板和S32M276SFFRD參考設(shè)計(jì)板支持該解決方案。
本項(xiàng)目將幫助工程師了解使用NXP S32M276SFFRD參考設(shè)計(jì)板快速高效打造BLDC電機(jī)控制應(yīng)用原型所需的硬件和軟件棧。

項(xiàng)目材料與資源

項(xiàng)目物料清單 (BOM)

NXP S32M276SFFRD參考設(shè)計(jì)板

NXP S32調(diào)試探針

項(xiàng)目代碼/軟件

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

S32M2xx開(kāi)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(bǔ)丁

項(xiàng)目GitHub代碼庫(kù)

其他資源

NXP賬戶（可免費(fèi)創(chuàng)建）

FreeMASTER運(yùn)行時(shí)調(diào)試工具（需要登錄）

用于S32M27X的AMMCLib（需要登錄）

S32M276電機(jī)控制應(yīng)用程序（需要登錄）

其他硬件

運(yùn)行Windows 10或更高版本的PC

12V – 24V BLDC電機(jī)

12V DC/DC電源

瞬時(shí)（開(kāi)）-關(guān)-（開(kāi)）翹板開(kāi)關(guān)

五個(gè)6.3mm FASTON連接器（三個(gè)用于電機(jī)，兩個(gè)用于電源）

FTDI TTL-232R-3V3-WE TTL轉(zhuǎn)USB串行轉(zhuǎn)換電纜

剝線鉗

壓線鉗

連接線

USB轉(zhuǎn)UART開(kāi)關(guān)適配器板（可選，設(shè)計(jì)文件在GitHub代碼庫(kù)中）

項(xiàng)目技術(shù)概述

NXP S32M276SFFRD參考設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)功能的模擬芯片。該參考設(shè)計(jì)旨在向電機(jī)控制應(yīng)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(kāi)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(shè)計(jì)板。（圖源：貿(mào)澤電子）

硬件概述

本節(jié)介紹如何連接本項(xiàng)目的各種硬件組件。

將電機(jī)連接到開(kāi)發(fā)板

將一個(gè)6.3mm FASTON連接器壓接到BLDC電機(jī)的A相上。

將第二個(gè)6.3mm FASTON連接器壓接到BLDC電機(jī)的B相上。

將第三個(gè)6.3mm FASTON連接器壓接到BLDC電機(jī)的C相上。

將第四個(gè)6.3mm FASTON連接器壓接到直流電源的正極線上。

將第五個(gè)6.3mm FASTON連接器壓接到直流電源的負(fù)極線上。

將電機(jī)的A相連接到開(kāi)發(fā)板的A相連接器上。

將電機(jī)的B相連接到開(kāi)發(fā)板的B相連接器上。

將電機(jī)的C相連接到開(kāi)發(fā)板的C相連接器上。

將電源的正極端子連接到開(kāi)發(fā)板的電源連接器上。

將電源的負(fù)極端子連接到開(kāi)發(fā)板的接地連接器上。

注意：長(zhǎng)時(shí)間帶負(fù)載運(yùn)行電機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱。請(qǐng)連接合適的負(fù)載，或者縮短電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

將開(kāi)關(guān)連接到開(kāi)發(fā)板

將開(kāi)發(fā)板的VDDE-MCU引腳（圖2）連接到開(kāi)關(guān)的公共端。

將開(kāi)發(fā)板的PTD0引腳連接到開(kāi)關(guān)的高電平端。

將開(kāi)發(fā)板的PTE11引腳連接到開(kāi)關(guān)的低電平端。

圖2：將開(kāi)關(guān)連接到電路板。（圖源：Green Shoe Garage）

將計(jì)算機(jī)連接到開(kāi)發(fā)板

將JTAG 10引腳連接器電纜的一端插入開(kāi)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(zhuǎn)UART開(kāi)關(guān)適配器板（圖3）插入開(kāi)發(fā)板。

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

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

將適配器板的GND信號(hào)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(kù)中包含USB轉(zhuǎn)UART適配器板的Gerber文件，從而更加便于將外部器件（如開(kāi)關(guān)）連接到S32M276SFFRD開(kāi)發(fā)板。

圖3：適配器板可使開(kāi)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(cè)試和運(yùn)行本項(xiàng)目所需的各種開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。本文不再重復(fù)介紹NXP文檔中的內(nèi)容，但在計(jì)算機(jī)上設(shè)置開(kāi)發(fā)環(huán)境時(shí)，請(qǐng)注意以下事項(xiàng)：

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

請(qǐng)勿嘗試同時(shí)運(yùn)行集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）調(diào)試器和測(cè)試應(yīng)用程序（如MCAT），因?yàn)樗鼈冃枰褂猛粋€(gè)COM端口。

S32 Design Studio

NXP S32 Design Studio (S32DS) 是一款專為汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用定制的IDE。它支持為NXP S32系列汽車(chē)微控制器和微處理器開(kāi)發(fā)軟件，這些微控制器和微處理器廣泛應(yīng)用于各種先進(jìn)汽車(chē)系統(tǒng)，如高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、動(dòng)力總成和車(chē)身控制等。該應(yīng)用程序基于廣泛采用的Eclipse平臺(tái)，可為開(kāi)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(duì)S32實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)程序（RTD）的支持。它提供驅(qū)動(dòng)程序、RTOS、中間件和硬件抽象層，并支持符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)軟件工具和庫(kù)。

FreeMASTER

FreeMASTER是一款多功能實(shí)時(shí)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(yīng)用程序。它已被汽車(chē)主機(jī)廠（OEM）和設(shè)備制造商廣泛用于各種汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)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(shí)時(shí)顯示多個(gè)變量

集成：與自定義HTML、MATLAB?、Excel和其他可編寫(xiě)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(guò)各種通信外設(shè)或調(diào)試通道連接到目標(biāo)系統(tǒng)

嵌入式視圖：在桌面應(yīng)用程序中集成圖表、表格和網(wǎng)頁(yè)視圖

電機(jī)控制應(yīng)用調(diào)優(yōu)工具

NXP電機(jī)控制應(yīng)用調(diào)優(yōu)（MCAT）工具（圖4）是一款功能強(qiáng)大的軟件實(shí)用程序，設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)化電機(jī)控制應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和調(diào)優(yōu)，尤其是在使用NXP電機(jī)控制硬件平臺(tái)和軟件解決方案時(shí)。它提供了直觀的界面，用于實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)控制參數(shù)，并可在電機(jī)運(yùn)行時(shí)調(diào)優(yōu)控制回路參數(shù)。這一功能對(duì)于微調(diào)性能、盡可能降低扭矩紋波和實(shí)現(xiàn)高效率而言至關(guān)重要，是電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用中電機(jī)工程師的寶貴資源。

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

項(xiàng)目開(kāi)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(xiàng)目的需要進(jìn)行進(jìn)一步修改。源代碼可從GitHub代碼庫(kù)獲取。

在S32DS中編輯源代碼

修改MCAT測(cè)試代碼的主循環(huán)，使電機(jī)在窗口開(kāi)關(guān)處于活動(dòng)位置時(shí)運(yùn)行。此代碼假定開(kāi)關(guān)高電平位置為活動(dòng)，但也可修改為低電平位置為活動(dòng)。
#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(yīng)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(kāi)啟電機(jī)
??????? 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(yīng)傳感器的引腳。這意味著本示例可用于無(wú)傳感器配置。

上傳固件

在S32 Design Studio for S32 Platform中導(dǎo)入已安裝的應(yīng)用程序軟件項(xiàng)目：

啟動(dòng)S32DS for S32 Platform。

單擊File（文件），然后單擊Import（導(dǎo)入）。

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

圖5：在S32DS中添加現(xiàn)有代碼庫(kù)。（圖源：NXP）

瀏覽至下載的項(xiàng)目文件所在的文件夾，選擇父項(xiàng)目文件夾。

選中Copy projects into workspace（將項(xiàng)目復(fù)制到工作區(qū)）復(fù)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(fù)選框。（圖源：NXP）

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

圖7：*.mex文件將上傳到被測(cè)試的設(shè)備。（圖源：NXP）

確保配置了正確的項(xiàng)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(shè)備。（圖源：NXP）

在S32DS中，單擊C圖標(biāo)（圖9）返回C/C++視圖。

圖9：C圖標(biāo)可打開(kāi)C/C++視圖模式。（圖源：NXP）

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

圖10：調(diào)試圖標(biāo)可打開(kāi)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(yùn)行方式。（圖源：NXP）

此時(shí)S32DS將切換到調(diào)試視圖。

單擊Resume（繼續(xù)）圖標(biāo)（或按F8鍵）運(yùn)行代碼（圖12）。

單擊Disconnect（斷開(kāi)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(cè)試工具是否可訪問(wèn)被測(cè)試的設(shè)備。（圖源：NXP）

使用MCAT工具調(diào)優(yōu)電機(jī)

NXP MCAT工具是一款功能強(qiáng)大的軟件工具，設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)化電機(jī)控制應(yīng)用（包括使用NXP電機(jī)控制硬件平臺(tái)的應(yīng)用）的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

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

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

選擇正確的微控制器和電機(jī)控制配置文件。

在MCAT界面中輸入特定于電機(jī)的參數(shù)，包括但不限于：

極對(duì)數(shù)（pp）

額定電壓和電流

最大轉(zhuǎn)速（RPM）

反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)和繞組電阻（如果已知）

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

圖14：MCAT的Output File選項(xiàng)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(shè)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(huì)提供默認(rèn)值。

啟用電機(jī)：

設(shè)置所需的工作模式（本項(xiàng)目中使用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制）。

逐步提高速度或占空比，確保電機(jī)正確啟動(dòng)。

實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)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(yīng)速度和穩(wěn)定性達(dá)到平衡。

提高積分增益（I），以消除穩(wěn)態(tài)誤差。

必要時(shí)提高微分增益（D），以抑制振蕩。

使用MCAT工具的實(shí)時(shí)反饋（如波形和數(shù)值數(shù)據(jù)）進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)優(yōu)過(guò)程。

注意：MCAT提供級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，支持開(kāi)環(huán)和閉環(huán)操作：

標(biāo)量控制（開(kāi)環(huán)、無(wú)反饋）可生成脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，用于低速測(cè)試。將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為50rpm，然后緩慢提高V/rpm系數(shù)，直至電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。

電流磁場(chǎng)定向控制（FOC）模式可評(píng)估電流傳感，包括對(duì)電流回路PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

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

電機(jī)帶載測(cè)試：

對(duì)電機(jī)施加不同的負(fù)載，以模擬實(shí)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(jī)帶載測(cè)試。（圖源：Green Shoe Garage）

調(diào)整啟動(dòng)參數(shù)，如初始占空比、加速度變化率和啟動(dòng)換向設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)可靠的電機(jī)啟動(dòng)。

驗(yàn)證安全功能：

測(cè)試電機(jī)在過(guò)流、欠壓或過(guò)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(jī)控制器能夠正常響應(yīng)。

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

結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)行業(yè)的電氣化進(jìn)程，需要無(wú)數(shù)的創(chuàng)新以精確的方式結(jié)合在一起。其中，降低成本、重量和復(fù)雜性對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模普及至關(guān)重要。NXP S32M276 SiP解決方案將多項(xiàng)關(guān)鍵功能集成到單一封裝中，減少了對(duì)分立元器件的需求，從而盡可能地降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這種集成通過(guò)減少BOM和簡(jiǎn)化組裝流程，直接轉(zhuǎn)化為成本節(jié)約。此外，SiP的緊湊性有助于實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化和輕量化，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)尤為重要，因?yàn)橹亓康臏p輕直接關(guān)系到續(xù)航里程和性能的提升。
通過(guò)在統(tǒng)一封裝中支持高性能計(jì)算和先進(jìn)的電機(jī)控制，S32M276還有助于開(kāi)發(fā)更高效的空調(diào)控制系統(tǒng)。其優(yōu)化的架構(gòu)可精確控制電機(jī)、提高能效并降低車(chē)輛能耗，從而提升每次充電后的行駛里程，增強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)消費(fèi)者的整體吸引力。總之，NXP S32M276等嵌入式系統(tǒng)不僅有助于加快電動(dòng)汽車(chē)的普及步伐，還有助于為更可持續(xù)的未來(lái)鋪平道路。

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