纳芯微:工业控制无处不在,从PLC到电机的感知—控制—执行闭环解析

Release time:2025-11-14
author:AMEYA360
source:纳芯微
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  在我们的日常生活中,工业控制元素无处不在。工业控制作为自动化技术的核心,其本质是通过对机械、电气系统的精准调控,旨在实现生产流程的无人化与智能化。这一技术看似高深,实则早已融入日常生活。例如,游乐园的设施背后,正是由无数旋转电机与直线电机构成的复杂控制系统。在工程师眼中,过山车的疾驰、旋转木马的律动,本质上都是电机在精密算法下的协同舞蹈。

  01 工业控制系统中核心要素:变频器、伺服电机、步进电机与PLC

  在工业控制系统中,变频器、伺服电机、步进电机与PLC构成了核心控制要素。变频器通过调节电机运行频率,实现节能与稳定运行;伺服电机具备高精度闭环控制能力,广泛应用于机器人、机床等高精度场景;步进电机以开环控制为特点,适用于3D打印机等中低精度设备;而PLC作为上层控制单元,负责信号采集与逻辑处理,通过预设程序协调各执行机构的协同动作,共同构建起工业自动化的“神经系统”。

纳芯微:工业控制无处不在,从PLC到电机的感知—控制—执行闭环解析

  无论是新能源汽车的热管理系统,还是工厂生产线的多轴机械臂,工业控制的核心逻辑始终如一:感知 → 控制 → 执行 → 反馈。纳芯微深耕工业控制领域多年,凭借对信号链、MCU、隔离与驱动等核心环节的深刻理解,构建出从“感知—决策—执行”的完整控制体系,为工业设备提供高精度、高稳定性的系统级解决方案。

  02 PLC与驱动:工业控制的“大脑与神经”

  一套完整的工业控制系统宛如同人体,需要“大脑”、“神经”与“肢体”的协同。PLC作为控制“大脑”,负责接收温度传感器、压力开关等输入信号,并通过逻辑编程输出控制指令。

  传统PLC依赖大量光耦器件实现信号隔离。纳芯微推出的多通道数字隔离芯片NSI860x(包括四通道的NSI8604和八通道的NSI8608)可将32路光耦集成至单颗芯片,不仅大幅节省了PCB面积,更将信号延迟从微秒级压缩至纳秒级。

纳芯微:工业控制无处不在,从PLC到电机的感知—控制—执行闭环解析

  NSI8608 PIN脚定义和功能框图

  驱动层设备则扮演“神经传导”的角色:变频器通过调节交流电频率改变电机转速,使电梯实现平滑启停;伺服驱动器则需同时处理编码器反馈与多轴协同指令,确保六轴机械臂的复杂轨迹分毫不差;步进驱动器虽结构简单,但其脉冲细分技术可将单步角从1.8°细化至0.007°,足以满足消费电子的精度需求。

  从系统架构看,工业控制的层级化特征显著:PLC统筹全局逻辑,驱动器解析具体动作,电机执行物理操作。这种分工在汽车产线中尤为典型——当焊接机器人接收到PLC的“车门焊接”指令后,伺服驱动器需在0.5秒内完成路径规划、电流分配与碰撞检测,最终由电机驱动焊枪以0.01毫米重复精度完成作业。

  03 电机:自动化系统的“心脏”

  如果说工业控制是自动化系统的“神经系统”,那么电机便是驱动整个体系运转的“心脏”。根据控制需求的不同,工业电机可分为三大类:控制类电机、功率类电机与信号类电机。

  信号类电机——感知与反馈的起点

  信号类电机的价值常常被人们低估,却是控制精度的关键保障。以纳芯微磁编码器为例,其核心器件AMR磁头可检测电机转轴的细微角度变化,配合纳芯微的隔离通信芯片,将位置信号无失真地传递至控制器。这种“感知-反馈-修正”的闭环机制,使得现代工业设备能够像人类肌肉一样具备“本体感觉”。

  控制类电机——精度与响应的核心

  在控制类电机中伺服电机凭借闭环控制与高精度特性,成为工业机器人关节驱动的首选,其内部编码器可实时反馈位置信息,确保机械臂抓取误差小于0.1毫米。纳芯微高精度工业编码器MT6835具有21bit分辨率,可实现光编的高性价比替代。

  步进电机具有开环控制与低成本优势,它通过脉冲信号实现“步进式”转动,广泛应用于3D打印机等消费级设备。纳芯微差分霍尔磁性角度编码器MT6701、15位磁性角度编码器MT6826s等产品可用于步进电机控制的位置反馈。

纳芯微:工业控制无处不在,从PLC到电机的感知—控制—执行闭环解析

  左:MT6701(SOP-8和QFN-16 封装)功能框图

  右:MT6826s( TSSOP-16和 QFN4x4-24L封装)功能框图

  纳芯微的NS800RT5049实时控制MCU工规版已正式量产,在伺服电机和步进的控制应用中,均能发挥出色的性能,已通过各行业数十家客户的严苛测试与验证,收获了积极正面的市场反馈。

纳芯微:工业控制无处不在,从PLC到电机的感知—控制—执行闭环解析

  NS800RT5049功能框图

  无刷直流电机(BLDC)因低噪音、长寿命的特点,在汽车油泵、散热风扇等场景中占据主导地位。纳芯微的NSUC1610就是一款集成了4路半桥驱动器的ARM MCU,主要用于控制小功率直流电机,可支持驱动直流有刷电机、直流无刷电机、步进电机等,在新能源汽车中广泛使用,包含汽车电子执行器、电子出风口、电子水阀、AGS控制器电子充电小门控制等。纳芯微角度传感器MT6511、霍尔锁存器MT836x等可以实现油泵旋转、移动机构的位置检测等。

  功率类电机——能量输出的源泉

  功率类电机则更强调动力输出,例如交流同步电机驱动的新能源车主驱系统。纳芯微霍尔电流传感器NSM203x、MT951x系列可实现电机母线电流、相电流的精准测量,可在瞬间爆发数百牛米的扭矩,而变频空调中的异步电机则通过变频器调节转速,实现节能30%以上的效果。

 

纳芯微:工业控制无处不在,从PLC到电机的感知—控制—执行闭环解析

  MT951x系列-MT9519功能框图

  针对功率类电机的安全运行需求,纳芯微将于年底推出国内首款 ASIL-D 功能安全驱动 NSI6911F。该产品历经四五年迭代优化,集成 ADC、隔离电源管理、LDO 及自检(BIST)功能,堪称完整的模拟芯片总成,兼具原副边电源管理能力,拥有 19A 快速关断性能与多种安全关断保护策略,内置 12 位高精度 ADC 模块(通过 ASIL-B 认证),且具备过温保护功能,可守护驱动电路免受过热影响。


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纳芯微 | SPI 隔离通信实战避坑:数字隔离器输出并联电平异常的原因与解决方案
  在工业系统 SPI 一主多从通信架构中,为节省 IO 资源,数字隔离器输出通道并联复用是常见设计,但实际应用中极易出现电平无法正常拉高 / 拉低的异常问题,严重影响通信稳定性。本文先梳理工业系统主流通信方式及 SPI 隔离的应用场景,深入剖析数字隔离器输出并联导致电平异常的核心原因,再针对性给出两种经实测验证的解决方案(CS 反向使能电路、二极管反向阻断配合软件配置),并明确实施过程中的关键注意事项,为工程师解决同类 SPI 隔离通信问题提供直接参考。  01 工业系统常见通信方式  通信接口是硬件系统中实现数据交换的核心模块,常分为内部通信接口(板级通信)、外部通信接口(对外通信),如图1,不同接口在速率、距离、复杂度等方面各有特点,是纳芯微产品主要的应用场景之一。图1 板级通信和对外通信  板级通信  板级通信为设备内部组件间的通信,通常具备速度快、距离短的特性,通常具备速度快、距离短的特性,常见有UART、I2C、SPI、单总线等。具体参数如表1所示:表1 板级通信具体参数  对外通信  对外通信为设备级信号传输,用于实现设备间的数据交互,多采用差分传输方式,具备传输距离远的优势,常见类型包括 RS-232、RS-485、CAN 等,具体参数如下表所示:  表2 对外通信具体参数  02 隔离SPI机会点  SPI全称为Serial Peripheral Interface(串行外设接口),由摩托罗拉公司开发的一种同步、全双工、主从式串行通讯总线,可以实现一主多从的通讯连接。  在硬件连接方式上,SPI常用4线制(SCK、MOSI、MISO、CS/SS),各信号线的传输方向及功能描述如下表3所示:表3 SPI各信号线的传输方向及功能  SPI一主多从的通讯拓扑,MOSI、MISO、SCK常采用复用接口,节省IO资源,通过独立的CS/SS实现从机选择。如图2所示。图2 SPI 一主多从基础拓扑  在工业系统中,MCU高压域与低压域之间需要做通讯隔离,纳芯微隔离器NSI8241W(3正1反)适用于SPI信号隔离。对于一主一从的隔离方式,4通道刚好一对一匹配(3正向通道对应SCK、MOSI、CS/SS,1反向通道对应MISO)。对于一主多从的拓扑架构,同样会复用通道节省IO资源,如图3示例。图3 带数字隔离器的SPI主多从拓扑  03 数字隔离器输出并联问题及解决方案  数字隔离器隔离SPI复用通道实际测试时,会发现复用MISO会出现电平异常,当一路输入高,一路输入低的情况下,MISO不能完全被拉高或者拉低。如图4,两颗8241 Out口复用,输入分别给高、低时,MISO波形。图4 Vdd1=Vdd2=5.25V,IND1高,IND2低 黄色OutD1=蓝色OutD2≈2.5V  数字隔离器Out内部为推挽输出:输入为高时,推挽上管导通,输出高电平;输入为低时,推挽下管导通,输出低电平。当输入一高一低时,就会形成分压回路,造成MISO电平异常,如图5,这显然与SPI中规定MISO复用冲突(当SS拉低使能时,从机输出配置为推挽输出,当SS拉高时,从机输出需配置为高阻态,防止多个输出导致电平冲突)。图5 数字隔离器内部分压回路  查阅NSI8241真值表(如图6所示),当EN拉低时,数字隔离器可以输出高组态,能够满足SPI复用要求。因此我们给出以下电路调整方案,来实现数字隔离器输出口并联复用需求。图6 NSI241真值表  方案1  CS 处增加反向电路,同步使能数字隔离器  在CS处增加反向电路(NPN、PNP、反相器等,需考虑Vce压降)同步使能数字隔离器。CS拉高禁用时,数字隔离器EN拉低禁用,Out复用输出高。  方案2  二极管反向阻断 + 软件配置,实现并联复用  通过二极管进行反向阻断,配合软件配置合理实现数字隔离器输出并联复用。  但需要注意的是:  (1)需添加上下拉电阻,明确默认电平,同时满足信号上升沿、下降沿的时间要求;  (2)需考虑二极管压降对电平幅值的影响,避免因压降导致通信误判;  (3)当一路输出通道由高电平切换至低电平时,受寄生参数影响,可能会短暂通过二极管抽取另一通道电流,需重视由此产生的电压尖峰问题。  结论与建议  在工业 SPI 一主多从隔离通信场景中,数字隔离器输出通道并联复用是节省 IO 资源的常用方案,但因隔离器内部推挽输出结构,直接并联易导致电平异常。本文通过分析异常产生的核心原因,提供了两种经实测验证的解决方案(CS 反向使能电路、二极管反向阻断 + 软件配置),同时明确了实施过程中的关键注意事项。工程师在实际设计中可根据项目需求选择合适方案,规避电平异常问题,保障 SPI 通信的稳定性。  高可靠性四通道数字隔离器NSI824x已通过 UL1577 安全认证,支持3kVrms-8kVrms 多档绝缘电压,同时在低功耗下提供高电磁抗扰度和低辐射。数据速率高达 150Mbps,共模瞬态抗扰度 250kV/μs。支持数字通道方向及输入失电默认输出电平配置,宽电源电压可直接适配多数数字接口,简化电平转换;高系统级 EMC 性能进一步提升使用可靠性与稳定性。
2025-12-05 11:20 reading:172
纳芯微车载电源芯片方案,选Ta就稳了!
纳芯微NSUC1610成功斩获「年度优秀电机控制技术产品奖」!
连续5年获奖,纳芯微荣膺第二十届“中国芯”“整车芯应用卓越产品”和“优秀技术创新产品”
  近日,以“芯生万物 智算无界”为主题,2025年“中国芯”集成电路产业促进大会暨第二十届“中国芯”优秀产品征集结果发布仪式在珠海横琴圆满举办。活动期间,纳芯微凭借在汽车电子领域的系统级应用能力与技术创新实力,荣膺“中国芯”两大奖项—— “整车芯应用卓越产品” 与 “优秀技术创新产品”,成为业内极少数在同一年同时获此双项荣誉的企业。获奖产品分别为 全集成嵌入式电机控制芯片 NSUC1610-Q1QNR 与 汽车级集成式耐腐蚀绝压传感器 NSPAS5 系列。  “整车芯应用卓越产品”主要表彰对国内汽车工业发展具有突出贡献的车规级芯片。该奖项强调产品的关键参数竞争力、可靠性稳定性、技术路线清晰度及在整车关键域控中的广泛落地情况。获奖产品 NSUC1610 是国内首款高集成度车用小电机驱动芯片,填补国内新能源汽车热管理电机控制处理器“MCU+”芯片空白,已覆盖国内多家主流 OEM。“优秀技术创新产品”旨在表彰具备显著技术突破与创新价值的集成电路产品。NSPAS5 系列具备业界领先的响应速度(<1ms),支持模拟比例 / 绝对输出,量程覆盖 10kPa~400kPa 可定制,并具备高耐腐蚀能力,面向汽车动力系统、热管理等核心应用场景。  自2021年以来,纳芯微连续5年荣获“中国芯”奖项,产品覆盖车规级MEMS绝压压力传感器晶圆NSP163X系列(2021)、高可靠性隔离式双通道栅极驱动器NSI6602系列(2022)、高压半桥栅极驱动器NSD1624(2023)、40V车规级32细分步进电机驱动器NSD8381(2024),标志其在汽车、泛能源领域,围绕应用创新的丰硕成果及市场认可,实现集成电路关键核心技术突破,加速科技创新和产业创新融合。截止2025年上半年,纳芯微汽车电子累计出货量超过9.8亿颗。  关于“中国芯”优秀产品评选  “中国芯”优秀产品评选活动由中国电子信息产业发展研究院主办,自2006年启动以来已成功举办二十届。该活动坚持以应用为导向,持续推动评选机制创新,致力于成为中国集成电路产品与技术发展的“风向标”。  活动始终秉持“以用立业、以用兴业”的发展思路,通过建立公正、专业的中国芯产品推荐机制,为国内集成电路企业搭建起一个展示优秀产品和技术的公益性平台,助力我国集成电路产业实现高质量发展。
2025-11-25 09:37 reading:325
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