飛思卡爾進(jìn)入無(wú)人機(jī)的世界

 

       在飛思卡爾舉辦的2015年飛思卡爾技術(shù)論壇(FTF)美洲站上，我們新推出的Kinetis V系列ARM? Cortex?-M級(jí)MCU的嵌入式電機(jī)控制板已經(jīng)成為頭條新聞。為了給極具慧眼的客戶留下深刻印象，飛思卡爾在FTF產(chǎn)品演示中設(shè)定了很高的標(biāo)準(zhǔn)，在各項(xiàng)要求中，‘酷’元素占據(jù)了首要位置。飛思卡爾的電機(jī)控制演示庫(kù)裝滿了各種類型的工業(yè)類和家電類應(yīng)用，它們歷來(lái)就是電機(jī)控制的重頭戲。雖然此類演示在過(guò)去很多年都表現(xiàn)出色，我們認(rèn)為，現(xiàn)在是時(shí)候進(jìn)行一些偏離傳統(tǒng)的展望，來(lái)體現(xiàn)我們第一款基于ARM-Cortex-M7 MCU的應(yīng)用，也是為了紀(jì)念FTF的10周年。畢竟，電機(jī)控制是地球上比重最大的電力消費(fèi)應(yīng)用，想必在電機(jī)控制中一定會(huì)有某個(gè)無(wú)名的天才在等著我們發(fā)現(xiàn)呢。
 

伴著咖啡和甜甜圈，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的深思熟慮，演示團(tuán)隊(duì)最終確定采用無(wú)人機(jī)。為何選擇無(wú)人機(jī)?簡(jiǎn)短的回答是“因?yàn)橄匆聶C(jī)飛不好”。不對(duì)，嚴(yán)肅地說(shuō)，有很多原因可以說(shuō)明為何是無(wú)人機(jī)——或者叫做UAV和四軸飛行器——值得采用。首先，它屬于“酷”的一類。能夠超越重力飛行，這始終是一個(gè)吸引眼球的技巧，如今它更是錦上添花了，因?yàn)樗梢员硌莞鞣N空中魔術(shù)。其次，能夠使多臺(tái)電機(jī)精確轉(zhuǎn)動(dòng)，是我們的Kinetis V系列MCU的一個(gè)光榮任務(wù)，因此它在展示MCU功能方面具有良好的效果，這表明了KV的技術(shù)實(shí)力。
 

第三，是與它相關(guān)的潛在商業(yè)機(jī)會(huì)。開(kāi)始時(shí)它只不過(guò)是業(yè)余愛(ài)好者手中的玩物，現(xiàn)在已迅速轉(zhuǎn)型，成長(zhǎng)為一個(gè)具有相當(dāng)規(guī)模的商業(yè)市場(chǎng)，并且日益發(fā)展為多樣化的終端應(yīng)用。這些了不起的“無(wú)人”飛行器幾乎每天都在尋找新的目標(biāo)，包括進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)和農(nóng)田航測(cè)，將貨物運(yùn)輸?shù)狡h(yuǎn)社區(qū)，甚至還包括在加利福尼亞州尋找和發(fā)現(xiàn)鯊魚(yú)。該市場(chǎng)仍處于萌芽階段，需要克服許多監(jiān)管障礙，但種種跡象表明，用不了多久，無(wú)人機(jī)將會(huì)把比薩餅空降到你家門前(但愿不是以“絕命毒師”那種風(fēng)格一下子扣在你的屋頂上)?？傊?，這種應(yīng)用就是……等它……起飛。
 

 4 x 8位MCU =
 

 1 x 32位Kinetis V MCU
 

在電機(jī)控制方面，飛思卡爾的專業(yè)技術(shù)可謂出類拔萃。當(dāng)然了，我有一點(diǎn)兒偏向，但是飛思卡爾這幾十年的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，為行業(yè)“巨頭”完成的包辦式客戶項(xiàng)目，以及開(kāi)發(fā)出的大量先進(jìn)支持軟件，已能說(shuō)明很多了，你懂的。憑借這些經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的儲(chǔ)備，加上“蓄勢(shì)待發(fā)”的Kinetis V系列MCU新產(chǎn)品，我們鎖定了無(wú)人機(jī)演示項(xiàng)目。雖然時(shí)間緊迫——雖然每個(gè)市場(chǎng)要求的商業(yè)展示demo都是十萬(wàn)火急——開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)已開(kāi)始行動(dòng)。對(duì)于電機(jī)控制的熱情已被點(diǎn)燃，很快螺旋槳也將開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。
 

我們選擇的無(wú)人機(jī)是DJI Phantom1 – 它曾是市場(chǎng)的主力，也是用以檢驗(yàn)我們V系列MCU資質(zhì)的合適平臺(tái)。嵌入式速度控制器(ESC)模塊是我們這次的目標(biāo)– 每臺(tái)無(wú)人機(jī)配備四個(gè)ESC，每個(gè)ESC原先由一個(gè)8位MCU控制。新的加強(qiáng)型ESC使用一個(gè)KV5x ARM Cortex-M7 MCU制造(也可以使用M4核的KV4來(lái)控制)，來(lái)替代之前使用的四個(gè)8位MCU。利用MCU的高性能和便捷集成的電機(jī)控制外設(shè) – 240MHz ARM Cortex-M7內(nèi)核、高分辨率PWM、多個(gè)高速ADC(5Msps)及其外設(shè)間的交叉開(kāi)關(guān)矩陣(CrossBar) – 實(shí)現(xiàn)一個(gè)四組6步BLDC控制系統(tǒng)。這需要利用KV5x MCU CPU大約50%的性能，余下的額外性能可以用于在未來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行穩(wěn)定性控制功能和磁場(chǎng)定向控制(FOC)。

       此外，也可以使用KV4x ARM Cortex-M4構(gòu)建了另外版本的ESC，這是為了展示Kinetis V系列為電機(jī)控制應(yīng)用帶來(lái)的獨(dú)特的可擴(kuò)展性。KV 系列MCU可以用于多種終端產(chǎn)品，還包括可擴(kuò)展的封裝、功能和價(jià)格。
 

巧合的是，演示團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)內(nèi)部并行開(kāi)展的無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，使用的是飛思卡爾模擬產(chǎn)品系列的新的柵極驅(qū)動(dòng)器IC - GD3000。于是我們迅速作出了一個(gè)決定，將它們合并使用，以便進(jìn)一步增強(qiáng)功率控制能力，同時(shí)更換了一些額外組件。物料成本清單的成本也進(jìn)一步降低。隨著電路圖的繪制以及PCB制版和軟件測(cè)試的完成，兩個(gè)新的ESC定制模塊問(wèn)世，慶幸的是，所有計(jì)劃的功能都得以實(shí)現(xiàn)。