電機和電源控制中的最新微控制器技術（簡體書）

本書全面介紹了當前主流的電機和電源數字控制系統的基本原理、相關控制技術理論和市場應用場景，並針對電機和電源數字控制系統的架構，分享了電機和電源數字控制用的微控制器的基本資源需求，以及市場上主流廠商的最新技術發展狀況。此外，對基於微控制器的控制軟件編程技術及相關調試技術也進行了總結闡述。除了理論介紹，本書篇幅上著墨於工程實踐的角度出發，介紹基於恩智浦半導體微控制器實現的主流電機類型和電源拓撲的控制案例，分享了實際工程開發中有關微控制器控制的應用經驗和方法。其中電機控制的應用內容包括永磁同步電機（PMSM）的無位置傳感器矢量控制（FOC）和有位置傳感器的伺服控制、基於轉子磁鏈定向的交流異步電機（ACIM）矢量控制、無刷直流電機的無位置傳感器控制、開關磁阻電機的無位置傳感器峰值電流檢測控制、步進電機的位置開環細分控制和位置閉環伺服控制；電源控制部分則包括以圖騰柱無橋式PFC 變換器和LLC DC/DC 諧振變換器為例的AC/DC 控制，以及符合無線充電聯盟（WPC）Qi 標準的15W 感應式無線充電系統的控制。本書面向已具備一定電機、電源、控制和微控制器基本知識的讀者，可為高校電氣、電力電子專業的研究生和企業工程技術人員提供參考和借鑒。

工業和信息化部人才交流中心（以下簡稱中心）創建於1985年1月，1992年10月成為獨立事業法人單位，工業和信息化部所屬的黨政機關一類事業單位(正局級)，是經中央機構編制委員會辦公室批准，國家事業單位登記管理局註冊登記，是工業和信息化部在人才培養、人才交流、智力引進、國際交流、會議展覽等方面的支撐機構；也是人力資源和社會保障部、工業和信息化部“全國信息專業技術人才知識更新工程”及“信息化工程師”項目實施承辦單位。

序一
中國經濟已經由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期。習近平總書記在党的十九大報告中明確指出，要堅持新發展理念，主動參與和推動經濟全球化進程，發展更高層次的開放型經濟，不斷壯大我國的經濟實力和綜合國力。
對於我國的集成電路產業來說，當前正是一個實現產業跨越式發展的重要戰略機遇期，前景十分光明，挑戰也十分嚴峻。在政策層面，2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈，提出到2030年產業鏈主要環節達到國際先進水平，實現跨越發展的發展目標；2015年，國務院提出“中國製造2025”，將集成電路產業列為重點領域突破發展首位；2016年，國務院頒佈《“十三五”國家信息化規劃》，提出構建現代信息技術和產業生態體系，推進核心技術超越工程，其中集成電路被放在了首位。在技術層面，目前全球集成電路產業已進入重大調整變革期，中國集成電路技術創新能力和中高端芯片供給水平正在提升，中國企業設計、封測水平正在加快邁向第一陣營。在應用層面，5G移動通信、物聯網、人工智能等技術逐步成熟，各類智能終端、物聯網、汽車電子及工業控制領域的需求將推動集成電路的穩步增長，因此集成電路產業將成為這些產品創新發展的戰略制高點。
展望“十三五”，中國集成電路產業必將迎來重大發展，特別是黨的十九大提出要加快建設製造強國，加快發展先進製造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合等新的要求，給集成電路發展開拓了新的發展空間，使得集成電路產業由技術驅動模式轉化為需求和效率優先模式。在這樣的大背景下，通過高層次的全球合作來促進我國國內集成電路產業的崛起，將成為我們發展集成電路的一個重要抓手。
在推進集成電路產業發展的過程中，建立創新體系、構建產業競爭力，最終都要落實在人才上。人才培養是集成電路產業發展的一個核心組成部分，我們的政府、企業、科研和出版單位對此都承擔著重要的責任和義務。所以我們非常支持工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司、電子工業出版社共同組織出版這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”。這套叢書集中了眾多一線工程師和技術人員的集體智慧和經驗，並且經過了行業專家學者的反復論證。我希望廣大讀者可以將這套叢書作為日常工作中的一套工具書，指導應用開發工作，還能夠以這套叢書為基礎，從應用角度對我們未來產業的發展進行探索，並與中國的發展特色緊密結合，服務中國集成電路產業的轉型升級。

刁石京 工業和信息化部電子信息司司長
2018年1月

序二
隨著摩爾定律逐步逼近極限，以及雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新興應用領域的興起，細分領域競爭格局加快重塑，圍繞資金、技術、產品、人才等全方位的競爭加劇，當前全球集成電路產業進入了發展的重大轉型期和變革期。
自2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈以來，隨著“中國製造2025”“互聯網+”、大數據等國家戰略的深入推進，國內集成電路市場需求規模進一步擴大，產業發展空間進一步增大，發展環境進一步優化。在市場需求拉動和國家相關政策的支持下，我國集成電路產業繼續保持平穩快速、穩中有進的發展態勢，產業規模穩步增長，技術水平持續提升，資本運作漸趨活躍，國際合作層次不斷提升。
集成電路產業是一個高度全球化的產業，發展集成電路需要強調自主創新，也要強調開放與國際合作，中國不可能關起門來發展集成電路。
集成電路產業的發展需要知識的不斷更新。這一點隨著雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新業務、新平臺的不斷出現，已經顯得越來越重要、越來越迫切。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的“物聯網與人工智能應用開發叢書”，是我們產業開展國際知識交流與合作的一次有益嘗試。我們希望看到更多國內外企業持續為我國集成電路產業的人才培養和知識更新提供有效的支撐，通過各方的共同努力，真正實現中國集成電路產業的跨越式發展。
丁文武
2018年1月


序三
儘管有些人認為全球集成電路產業已經邁入成熟期，但隨著新興產業的崛起，集成電路技術還將繼續演進，並長期扮演核心關鍵角色。事實上，到現在為止還沒有出現集成電路的替代技術。
中國已經成為全球最大的集成電路市場，產業佈局基本合理，各領域進步明顯。2016年，中國集成電路產業出現了三個里程碑事件：第一，中國集成電路產業第一次出現製造、設計、封測三個領域銷售規模均超過1000億元，改變了多年來始終封測領頭，設計和製造跟隨的局面；第二，設計業超過封測業成為集成電路產業最大的組成部分，這是中國集成電路產業向好發展的重要信號；第三，中國集成電路製造業增速首次超過設計業和封測業，達到最快。隨著中國經濟的增長，中國集成電路產業的發展也將繼續保持良好態勢。未來中國將保持世界電子產品生產大國的地位，對集成電路的需求還會維持在高位。與此同時，我們也必須認識到，國內集成電路的自給率不高，在很長一段時間內對外依存度會停留在較高水平。
我們要充分利用當前物聯網、人工智能、大數據、雲計算加速發展的契機，實現我國集成電路產業的跨越式發展，一是要對自己的發展有清醒的認識；二是要保持足夠的定力，不忘初心、下定決心；三是要緊緊圍繞產品，以產品為中心，高端通用芯片必須面向主戰場。
產業要發展，人才是決定性因素。目前我國集成電路產業的人才情況不容樂觀，人才缺口很大，人才數量和質量均需大幅度提升。與市場、資本相比，人才的缺失是中國集成電路產業面臨的最大變量。人才的成長來自知識的更新和經驗的積累。我國一直強調產學研結合、全價值鏈推動產業發展，加強企業、研究機構、學校之間的交流合作，對於集成電路產業的人才培養和知識更新有非常正面的促進作用。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”，內容涉及安全應用與微控制器固件開發、電機控制與USB技術應用、車聯網與電動汽車電池管理、汽車控制技術應用等物聯網與人工智能應用開發的多個方面，對於專業技術人員的實際工作具有很強的指導價值。我對參與叢書編寫的專家、學者和工程師們表示感謝，並衷心希望能夠有越來越多的國際優秀企業參與到我國集成電路產業發展的大潮中來，實現全球技術與經驗和中國市場需求的融合，支持我國產業的長期可持續發展。

魏少軍 教授
清華大學微電子所所長
2018年1月


序四
千里之行 始於足下

人工智能與物聯網、大數據的完美結合，正在成為未來十年新一輪科技與產業革命的主旋律。隨之而來的各個行業對計算、控制、連接、存儲及安全功能的強勁需求，也再次把半導體集成電路產業推向了中國乃至全球經濟的風口浪尖。
歷次產業革命所帶來的衝擊往往是顛覆性的改變。當我們正為目不暇接的電子信息技術創新的風起雲湧而喝彩，為龐大的產業資金在政府和金融機構的熱推下，正以前所未有的規模和速度投入集成電路行業而驚歎的同時，不少業界有識之士已經敏銳地意識到，構成並驅動即將到來的智能化社會的每一個電子系統、功能模塊、底層軟件乃至檢測技術都面臨著巨大的量變與質變。毫無疑問，一個以集成電路和相應軟件為核心的電子信息系統的深度而全面的更新換代浪潮正在向我們走來。
如此的產業巨變不僅引發了人工智能在不遠的將來是否會取代人類工作的思考，更加現實而且緊迫的問題在於，我們每一個人的知識結構和理解能力能否跟得上這一輪技術革新的發展步伐？內容及架構更新相對緩慢的傳統教材以及漫無邊際的網絡資料，是否足以為我們及時勾勒出物聯網與人工智能應用的重點要素？在如今僅憑獨到的商業模式和靠免費獲取的流量，就可以瞬間增加企業市值的IT盛宴裡，我們的工程師們需要靜下心來思考在哪些方面練好基本功，才能在未來翻天覆地般的技術變革時代立於不敗之地。
帶著這些問題，我們在政府和國內眾多知名院校的熱心支持與合作下，精心選題，推敲琢磨，策劃了這一套以物聯網與人工智能的開發實踐為主線，以集成電路核心器件及相應軟件開發的最新應用為基礎的科技系列叢書，以期對在人工智能新時代所面對的一些重要技術課題提出抛磚引玉式的線索和思路。
本套叢書的準備工作始終得到了工業和信息化部電子信息司刁石京司長，國家集成電路產業投資基金股份有限公司丁文武總裁，清華大學微電子所所長魏少軍教授，工業和信息化部人才交流中心王希征主任、李甯副主任，電子工業出版社黨委書記、社長王傳臣的肯定與支持，恩智浦半導體的任霞女士、張伊雯女士、陳劼女士，以及恩智浦半導體各個產品技術部門的技術專家們為叢書的編寫組織工作付出了大量的心血，電子工業出版社的董亞峰先生、徐薔薇女士為叢書的編輯出版做了精心的規劃。著書育人，功在後世，借此機會表示衷心的感謝。

未來已來，新一代產業革命的大趨勢把我們推上了又一程充滿精彩和想像空間的科技之旅。在憧憬人工智能和物聯網即將給整個人類社會帶來的無限機遇和美好前景的同時，打好基礎，不忘初心，用知識充實腳下的每一步，又何嘗不是一個主動迎接未來的良好途徑？

鄭力
寫於2018年拉斯維加斯CES科技展會現場

前沿
物聯網和人工智能應用的熱潮已經襲來，萬物互聯和智能化運行將是未
來世界的發展趨勢。作為供電系統的電源設備和作為執行機構的電機系統，
更需要進行網絡化和智能化的管理與操作，要實現這個目標，必須基於微控
制器設計數字控制的電機和電源系統。
本書是“物聯網與人工智能應用開發叢書”中的一本，主要從工程實踐
的角度出發，結合恩智浦用於電機和電源控制的微控制器產品介紹了主流電
機類型和電源拓撲的控制。除了理論介紹，本書篇幅上著墨于實際工程開發，
分享基於恩智浦微控制器控制的經驗和方法。電機控制部分包括永磁同步電
機（PMSM）的無位置傳感器矢量控制（FOC）和有位置傳感器的伺服控制、
基於轉子磁鏈定向的交流異步電機（ACIM）的矢量控制、無刷直流電機的
無位置傳感器控制、開關磁阻電機的無位置傳感器峰值電流檢測控制、步進

第1 章 電力電子技術應用綜述············································· 001
1.1 電力電子技術發展現狀··················································· 002
1.2 市場應用場景······························································· 005
1.3 未來發展方向展望························································· 010
1.4 小結··········································································· 011
第2 章 電機和電源控制簡介················································· 013
2.1 常見電機類型及其控制技術············································· 014
2.1.1 直流電機····························································· 014
2.1.2 交流電機····························································· 016
2.2 常見電力電子變換拓撲··················································· 020
2.2.1 整流電路····························································· 021
2.2.2 降壓斬波電路······················································ 024
2.2.3 升壓斬波電路······················································· 025
2.2.4 升降壓斬波電路···················································· 025
2.2.5 諧振變換器電路···················································· 026
2.3 感應式無線充電技術······················································ 029
2.4 小結··········································································· 031
第3 章 電機和電源控制中的微控制器技術介紹······················ 033
3.1 典型電機和電源數字控制系統架構···································· 034
3.2 電機和電源控制中的微控制器技術概況······························ 036
3.2.1 電機和電源控制中的微控制器技術發展現狀················ 037
3.2.2 電機和電源控制中的微控制器技術發展趨勢················ 041
3.2.3 恩智浦半導體電機和電源微控制器產品路線規劃
及主要特點·························································· 043
3.3 小結··········································································· 046
第4 章 控制軟件編程基礎及相關調試技術····························· 049
4.1 數字控制軟件編程基礎··················································· 050
4.1.1 信號數字化處理···················································· 050
4.1.2 變量定標····························································· 052
4.1.3 參數標么表示······················································· 053
4.2 實時控制軟件架構實現簡介············································· 054
4.2.1 狀態機································································ 054
4.2.2 時序調度機制······················································· 057
4.3 實時控制軟件開發及調試················································ 058
4.3.1 實時控制軟件庫的應用··········································· 058
4.3.2 實時調試工具······················································· 064
4.3.3 相關調試技巧······················································· 068
4.4 小結··········································································· 070
第5 章 永磁同步電機的數字控制·········································· 071
5.1 永磁同步電機的數學模型················································ 072
5.1.1 三相永磁同步電機數學模型···································· 073
5.1.2 兩相靜止坐標系的數學模型···································· 074
5.1.3 兩相轉子同步坐標系的數學模型······························ 075
5.1.4 坐標變換····························································· 077
5.2 永磁同步電機的磁場定向控制·········································· 078
5.2.1 電流控制環························································· 079
5.2.2 轉速控制環························································· 082
5.3 最大轉矩電流比和弱磁控制············································· 083
5.3.1 最大轉矩電流比控制············································· 084
5.3.2 弱磁控制····························································· 087
5.4 無位置傳感器控制························································· 092
5.4.1 基於反電動勢的位置估計······································· 092
5.4.2 基於高頻信號注入的位置估計································· 096
5.4.3 基於定子磁通的位置估計······································· 099
5.5 電機控制所需的微控制器資源·········································· 102
5.5.1 脈衝寬度調製器（PWM） ······································ 103
5.5.2 模/數轉換器（ADC） ············································ 105
5.5.3 正交解碼器（DEC） ············································· 105
5.5.4 定時器（Timer） ·················································· 106
5.5.5 PWM 和ADC 硬件同步·········································· 106
5.6 典型永磁同步電機控制方案···························