广州鸿博微电子芯片HBM32G003使用经验分享——电机控制方案

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基于HBM32G003TS20的电机控制方案--应用于无感无刷筋膜枪

近段时间，在健身群体和上班族中，筋膜枪越来越受到青睐与追捧。作为家用健康类的大众产品，筋膜枪已从针对运动爱好者的专业运动设备逐渐扩展到适合全民的随手按摩仪。价格更低、使用更便捷、性能更高的产品正在火热崛起。

在国外MCU芯片持续缺货的背景下，筋膜枪方案商将目光转向了国内MCU厂家，鸿博微电子技术有限公司推出的自主研发的HBM32G003TS20芯片，可轻松实现国产芯片替代方案，该款MCU芯片具有9通道的12位高精度SARADC，最高采样速率达到2.4Mhz；具有三种低功耗模式：standby、sleep、stop；最低功耗电流仅有0.6uA。该芯片既可以满足性能需求，同时高集成度也减少了外围电路器件数量，具备明显的成本优势，可提供良好的技术支持服务，性价比极高。

筋膜枪，也可称为按摩枪，通过电机运转带动一系列的结构装置产生高频击打运动，就像小拳反复捶打。筋膜枪通过高频次震动来放松紧张的肌肉和筋膜，刺激软组织促进血液流动，将营养物质输送到肌肉中促进肌肉恢复，抑制乳酸堆积和缓解疲劳。

本方案采用的以鸿博微公司推出的HBM32G003为主控芯片、通过PWM驱动3对MOS管对无刷电机进行换相处理，ADC检测反电动势获取换相时机，从而对无感无刷电机完成了驱动动作，最终使筋膜枪正常运转工作。

方案特点
该系统以HBM32G003TS20为控制核心，32位ARM Cortex M0为处理内核，该芯片最高工作频率48Mhz、16路IO、1个带9通道的12位SARADC、2个高级定时器且带有输入捕获功能、3路独立基本PWM发生器和3路独立高级PWM发生器，支持死区和互补功能。运用内部ADC检测反电动势过零点实现换相的方波驱动的无感无刷电机，开环实测最高转速可达到5000转，因此，可以满足目前国内外热门的筋膜枪设计需求。



无感无刷电机控制原理：

1.ADC主要工作：PWM每一周期，高电平持续时间的中点时刻，触发ADC进行采样悬空相、母线电压、母线电流；利用悬空相反电动势电压和1/2VBUS母线电压之间比较，可有效检测过零点判断并进行换相，

2.TIMER定时器计时换相时间进而可以通过换向时间和极对数来计算出电机的转速。与此同时，单片机通过ADC检测电流和依靠转速变化随时监控电机的工作情况，有效检测电机堵停，失速，过流等异常情况。

3.逆变电路选用IO口直接驱动N+P管，上桥IO口驱动，下桥PWM斩波驱动,可避免上下桥臂MOS同时导通以至于烧坏MOS。

相比于传统的有刷电机而言，有刷电机不能实时监控电机的转速情况，只能通过电流判断的方式进行电机保护，由于靠电刷的方式实现换相，使用寿命上会比无刷电机的寿命短一些。

简言之，筋膜枪的主要功能是依靠无刷电机实现，同时为了用户便于携带等更好的用户体验，基本的电机功能以外，依靠LED灯控实现显示档位、充电状态以及电机异常状态显示，由于充电IC市面上的价格偏贵一些，充电部分功能可以由软件控制boost升压电路的方式降低方案成本。

锂电池充电支持5V1A以上的充电头，恒定控制充电电流900mA左右，充电效率80%左右，选用4.7uH的大功率电感CD32封装，以240K的pwm频率控制MOS的方式使得电感在不停的充电放电，进而达到升压充电的功能，恒流充电主要是采集锂电池端的充电回路电流的大小去控制输入电流的大小。闭环控制对于boost升压电路适配电池的效果更佳。

方案优势

针对无刷电机BLDC方向，鸿博微电子HBM32G003系列性能芯片开发的产品,采用三路独立的高级PWM信号发生器跟12位高精度SARADC，可适用于低转速、无位置传感器的电机应用方案。

经过对比,鸿博微HBM32G003芯片对比其他方案具有如下优势：

l 32位ARM Cortex M0处理器，最高主频48Mhz，IO引脚数最多含有16个引脚；

l ROM：64K字节的FLASH存储器作为程序存储区，128K FLASH片上数据存储，

RAM：2K数据存储区；

l 具有9通道的12位高精度SARADC，最高采样速率达到2.4Mhz；

l 三种低功耗模式：standby、sleep、stop；最低功耗电流可达0.6uA；

l 三路基本PWM信号发生器，支持1-256分频，支持翻转点中断和周期溢出中断；

l 三路独立高级PWM信号发生器，支持1-256分频、死区、互补和刹车功能，支持上升沿/下降沿计数，边沿对齐或中心对称波形输出；可配置起始电平、输出电平、翻转点中断、内部触发点、溢出中断等。

1. 相对国内外的ST、HK、GD、MM等M0系列芯片而言，该芯片成本更低、可提供专业高效的技术服务支持。

2. 独有的M0外设驱动固件库，可使外设程序配置简化，减少外围器件，对于工程师而言，简明的外设程序配置更容易理解，能更大程度优化配置方案；

物料清单

Designator	Comment	Footprint	Quantity
C1, C2, C3	100pF	0603C	3
C4, C6, C14, C16	100nF	0603C	4
C5	1uF	0603C	1
C7, C8, C9, C11	100nF/50V	0603C	4
C10	10uF/50V	0603C	1
C13	10uF	0603C	1
C15	100uF/50V	SMD-EC4.0X4.3X5.4	1
D1	SS34	SMA	1
D2	1N1418	SOD-123	1
J1	XH2	XH2/2.54mm/90	1
K1	KEY	SMD-3X6X2.5	1
L1	4.7uH	L0520	1
Q1, Q2, Q3	2N3904	SOT23	3
Q4	2N3906	SOT23	1
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R22, R23, R24, R29, R32, R38	1K	0603R	12
R7, R14, R15	30K	0603R	3
R8, R9, R10, R25, R36	10K	0603R	5
R11, R12, R13, R19, R20, R21	10R	0603R	6
R16, R17, R18	6.8K	0603R	3
R26, R28	R040	1206R	2
R27	300K	0603R	1
R30	68K	0603R	1
R31	R050	1206R	1
R33, R34	3K	0603R	2
R37	0K	0603R	1
SWD1	HDR-1X4	Pin HDR1X4/2.54mm-S	1
U1, U2, U3	JMN025C03(N+PMOS)	DFN5X6	3
U4	HBM32G003TS20	TSSOP20	1
U5	HT7533	SOT89	1
U7	AO4406	SOP8	1
XH1	usb_typec	typec	1