详解运动控制3要素:芯片、算法和方案

不管是当前火热的AI，机器人，物联网，风口有多大，运动控制是必要的组成部分。运动控制这里指的是用电机来控制机器的位置或速度。而在电机控制上，有三个方面的考虑因素，芯片性能，算法设计和系统解决方案。电机控制也是种类繁多，这里主要描述的是直流无刷电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM），这2种电机都可以用方波或者正弦波控制，对于充磁为正弦波的电机，使用正弦波控制静音效果会更好。

电机控制的主控芯片

电机控制的主控芯片通常用MCU或者DSP，方波控制对芯片的性能要求不高，对于要求不高的应用，8位MCU就够了，对于复杂的应用，就需要更高的性能的MCU，如32位MCU。无论是家电，或者其他行业应用，对无刷电机的要求大多在两点上，一个是节能，另外一个就是静音。用正弦波控制，也就是大家常说的FOC矢量控制，电机的电磁噪声比方波控制的噪声会小很多，达到真正的静音。要实现FOC矢量控制，FOC频率或者PWM频率通常要在16KHz以上，人耳不容易听到，这就要求主控芯片有足够的性能。FOC性能方面，当前主控芯片有如下几种形式：

1.MCU+运算加速器，这里的MCU通常性能不高，性能用加速器来补充，加速器是指乘法器，除法器，CORDIC运算等等，典型的芯片如英飞凌的XC800系列，凌阳单片机。

2.MCU+可编程引擎，类似于第一种形态，只是这种引擎一般由专用的可编程加速指令来实现，指令在20条左右，颗粒度大。典型的芯片如IR的IRMCF171，峰岹的6831等等。

3.MCU+DSP，类似于第二种，只是这里的DSP是通用DSP，通常有100多条指令，也含有CORDIC指令等特殊指令，通用DSP，指令多，可编程灵活，典型的芯片如江苏宏云的JMT1808R和JMT1801ED。

4.基于ARMCortexM0的MCU，这种MCU以ST的030系列为主，国产兼容芯片也比较多，因为大多数是48MHz的M0，可以实现一些基本的FOC，复杂一些场景就有点力不从心了。

5.基于ARMCortexM3的MCU，这种MCU以ST的STM32F103系列为代表，国产兼容芯片也比较多，M3的芯片大多在70MHz以上，能满足大部分FOC的性能要求。

6.DSC芯片，这类型的芯片实际上的带有控制功能的DSP，典型芯片有IT的C2000，NXP的MC56Fxxxxx，Microchip的dsPIC33Fxxxx等等，性能比较高。

电机控制的算法

电机控制领域不是有了芯片就可以了，芯片只是提供需要的性能，而算法是芯片之外的，跟电机控制理论相关的，这也给芯片公司进入电机控制市场增加的门槛，只有芯片是不够的，还需要有足够领先的电机控制算法。

电机控制中，带有位置传感器的的控制为有感控制，有感控制在电动自行车领域用的比较多，还有些应用领域安装霍尔传感器困难，或者为了降低成本，用无感控制。有感控制比无感控制方便的地方是有了位置信息，无感没有位置信息，就要估计位置，所以无感的算法要求就高一些，除了位置相应的如角度，转速等等估计不同之外，其它的控制部分在有感和无感中是相同的。

无论是有感还是无感，控制方式常用的就两种，方波控制和正弦波控制（FOC矢量控制）。

无感控制在启动和低速时常会碰到困难，有时启动不了，有时带载无力。启动是无感控制的难点之一，这是因为电机启动时的位置不确定，而启动的角度跟实际角度不相同时，导致抖动和反转，以至于电机不能正常启动。为了解决启动问题，算法上先要找到电机起始的位置，常用的算法为变电感法，高频注入法等等。

方波控制因为成本低，使用非常广泛，正弦波控制因为静音，越来越受大家的喜爱。有些场合，如变频电风扇，空气净化器，新风系统，空调，冰箱等等都需要静音，正弦波控制成为必须。正弦波控制算法还可以通过弱磁技术来提高电机的转速，这个特点在变频洗衣机里得到发挥，如BLDC，DD（直驱）电机如果不用弱磁，转速根本就转不上去，利用弱磁算法，可以提升3.x倍的转速，一个不用弱磁在6000转左右的BLDC电机，弱磁后可以到20000转（电机四对极时，电转速到达8万多转)。