【应用】国民技术N32系列MCU集成先进电机控制技术及算法，满足电动两轮车全车及周边应用创新需求

电动两轮车具有经济、环保、便捷等优势，已成为主要的短距离交通工具之一，在个人日常出行、外卖配送、共享交通等方面得到大量使用。“新国标”的实施以及智能化技术发展，加速了电动两轮车的升级换代，使得电动两轮车特别是高端智能电动车的市场需求上升。

电动两轮车由车体电机驱动、电动机、控制器、电源系统、充电器、仪表系统等组成，周边组件包括充电桩/换电柜等，不同的系统根据实现的功能复杂程度对微控制芯片（MCU）提出了差异化需求。

图 1

提供丰富产品，满足电动两轮车全车及周边应用创新需求

国民技术N32系列MCU产品基于32位Arm^® Cortex^®-M内核，内置嵌入式高速闪存、低功耗电源管理，集成数模混合电路，并内置硬件密码算法加速引擎以及安全单元，具有高集成度、高性能、低功耗等特点，满足电动自动车各组件对控制器的应用需求，目前在电动两轮车及周边产品中已经获得批量应用的型号包括：N32G45x、N32G43x、N32L40x、N32G03x、N32WB031（蓝牙MCU），具体应用情况如下：

表 1

单芯片集成先进电机控制技术及算法，实现高精度大扭矩电机控制

国民技术N32系列MCU支持数字信号处理（DSP）指令和浮点运算，具有多达4个独立的具有5Msps高速采样速率的12位模数转换器（ADC），电机控制PWM脉宽调制最小脉宽6.9ns。片内集成多个轨到轨运算放大器、高速模拟比较器及12位数模转换器（DAC），紧密耦合的内嵌存储器可实现快速的存储器访问和调度。芯片还集成了用于电机位置传感的正交编码器模块等高效算法模块，以及用于代码和物联安全的硬件密码算法加速引擎。N32系列MCU在单颗芯片上集成电机控制应用所需数字与模拟资源，大大提升了电机系统的响应速度和稳定性，可覆盖汽车、工业、能源、家电、消费等行业的电机控制应用。

图 2

基于N32G45x、N32G43x、N32L40x等系列MCU及自研先进电机控制技术，采用有感估算电角度算法及FOC控制策略实现的国民技术高精度大扭矩电动车控制器方案，具有多项业内领先的技术优势。方案支持单电阻、双电阻及三电阻采样FOC控制策略，具有零速大扭矩启动和MTPA力矩补偿功能，电机运行效率高。同时，电机软硬启动迅速，采用矢量正弦波兼无感BLDC控制，在两倍负载下可高效持续稳定输出功率和运行。方案还具备完备的速度超差保护：采用了欠/过压、软硬件过流、过功率、堵转、缺相、防盗飞车等系列安全保护策略，确保电动车运行安全。该方案非常适用于电动两轮车、智能电动摩托车、智能移动机器人、无人AGV及电动车叉车等低速高精度大扭矩电机控制应用场景。

电动两轮车应用案例

1. 电动车控制器

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控制器作为电动两轮车的核心部件，控制电机的启动、运行、进退、变速、停止等操作，起到电动两轮车“控制大脑”的作用。当前电动车领域对核心驱动电机的控制精度、转矩脉动、可靠性、噪声震动(NVH)、电机驱动效率、弱磁性能、电流响应速度等技术性能要求越来越高，相应的电机控制算法日趋复杂。在智能化发展趋势下，电动两轮车集成多种先进电机驱动控制技术，从而对控制器芯片提出了更高要求，例如，需要芯片具有更高性能的处理能力、更加丰富的通信接口及多通道模拟/数字(A/D)和数字/模拟(D/A)接口等。

无刷交流轮毂电机产生输出动力时，需要控制器进行调速以完成电能到机械能的转换。高效舒适的调速控制离不开复杂的控制算法参与，庞大算法体系的运行需要高性能控制器芯片资源的支撑。方案基于N32G430系列MCU实现，采用矢量FOC控制技术，主要由矢量变换、环路调节器、空间矢量调制、霍尔处理以及外围功能函数几大模块组成，根据两轮车控制器行业实际情况，在调速平滑性、电机适用性、故障快速保护等关键节点上进行优化处理，具有多功率段电机灵活适配、骑行舒适度高、高效安全等特点。

N32G430应用优势：

● Arm^® Cortex^®-M4F内核，支持FPU浮点运算和DSP指令，最高128MHz主频。

● 支持Sleep、Stop0、Stop2、Standby四种低功耗模式，同时具备LPTIM等低功耗外设，使电池续航更持久。

● 12bit ADC最高采样速率可达4.7Msps，实现数据的快速采集。

● 集成多达3个比较器，支持从SLEEP模式、STOP0模式下唤醒。

● 2个16bit高级定时器支持14路互补PWM输出、死区插入和刹车功能，更适用于电机控制。

2. 短交通BMS控制板

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BMS是专门用来进行电池运行管理的模块，N32G031、N32G43x、N32L40x、N32G45x、N32WB031（蓝牙MCU）等系列MCU已经应用消费，工业、汽车领域的BMS电池管理系统中。其中基于N32G45x实现的短交通电池BMS控制板案例具有高效节能、安全保护、实时监控、可扩展性好等功能特点。

N32G45x应用优势：

● 144MHz主频，FLASH支持ICACE和预取，支持FPU和MMU指令，可高效率运行SOC、SOP、SOH等BMS核心控制算法，精准修正单节电池充/放电状态，实现总输入/输出功率和电池组健康状态的检测。

● 内置最多4个5Msps采样率的12bit独立ADC，可同时工作，多达16个采样通道，轻松实现过压检测、欠压保护、短路关断、温度检测、电池均衡控制等各种安全保护功能。

● 丰富的外设接口，支持UART、I²C、SPI等接口，同时支持CAN，实现故障诊断和警告上报，支持BMS系统的无线连接管理与监控。

● 接口灵活，单芯片满足新国标应用，可通过手机APP对BMS控制板固件进行升级。

● 选择内置BLE的N32WB031系列MCU，可实现手机APP升级BMS控制板固件，并且FLASH自带加密存储功能，保护用户算法代码。

3. 电动车仪表盘

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电动车仪表盘能够及时反映电动车运行时的蓄电池放电电流、蓄电池剩余电量、车速、累计行驶里程、各种灯光使用及控制器出现故障，以数字代码显示反映故障源。它通过TIMER模块实现基本的定时时基、通过PWM输出控制氛围灯、LED显示等；通过CAN模块传输电动车的电池状态、行驶速度、刹车状态、灯具和控制器故障等信息，来实现仪表盘和电动车控制系统的交互；通过USART模块传输电动车的控制和状态信息到显示驱动芯片，从而实现表盘上的信息显示；通过GPIO模块来控制大灯的显示、并获取硬件版本信息等。

N32G430应用优势：

● 32位Arm^® Cortex^®-M4芯片，主频高达128MHz；支持Sleep、Stop0、Stop2、Standby四种低功耗模式。

● -40至105℃工作温度，支持±4KV ESD冲击，能有效防止静电干扰；所有IO支持5V Tolerance，保护IO免受5V电压冲击，避免损伤。

● 拥有多达8路定时器，可满足灯具控制和定时功能，同时还拥有1路低功耗定时器。

● CAN模块可用于车规级的控制和状态信息传输、可实现更加安全和高效的实时控制。

● 拥有速率高达4Mbits/s的4路串口，支持LIN通信，可满足与仪表盘的信息快速交互。

4. 安全头盔锁

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研究表明，正确佩戴安全头盔能够将交通事故死亡风险降低60%~70%，对保护驾驶者生命安全具有重要作用。基于N32系列MCU实现的智能安全头盔锁模块目前主要应用在共享电动车产品上，可实现共享安全头盔的NFC读卡、车源信号对接、I²C控制电机驱动开关锁、霍尔限位开关等智能开关锁功能。MCU通过CAN与其他节点设备进行通信和数据交互，通过I²C控制电机执行开锁和关锁，通过霍尔限位开关读取位置和状态，通过SPI+NFC读卡来支持刷卡开锁和关锁。

N32L403应用优势：

● QFN32封装体积小，128K Flash，资源丰富，满足应用需求。

● 高集成度，集成CAN、I²C、SPI、TIM等多个外设。

● 符合-40℃～105℃工业级温度标准，适应面对户外各种恶劣天气条件影响。

● 业内顶级的超低功耗：60μA/MHz动态运行功耗，2μA的静态功耗，进一步提高整机散热性能。

● 内置密码算法硬件加速引擎，保障内部协议传输的安全性。

电动两轮车及周边应用N32系列MCU主要资源：

表 2