【原创分享】电机控制中MCU的选择应该如何考虑？

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作者：赵云老师（张飞实战电子高级工程师）

大家好，今天我们来聊一聊电机控制中的MCU选型如何考虑？不同应用对器件的要求有很大的区别。目前市场上的控制器/驱动器解决方案各有千秋，包括了针对特定简单应用的标准控制器/驱动器、以及采用外部缓冲栅极驱动器和功率级的MCU、DSP和FPGA。

图一：产品中的MCU示意图

MCU是目前市场主流的电机控制方案，适用于高、中、低端电机控制。通过内部集成的电机控制模块，可简化客户对于电机控制的开发；而相对于DSP较强的控制功能，能更好地实现电机的伺服控制和保护功能。此外在32位处理器，通过提高运算处理速度，也可以很好地实现空间矢量、磁场定位和PD闭环调节的复杂控制。

图二：伺服控制系统示意图

对于小型BLDC冷却风扇等简单的低功耗电机控制应用来说，专用标准电机控制IC可以实现低成本。但对要求苛刻的应用来说，就更适合使用DSP、MCU和FPGA，因为可以增加其他系统管理功能，例如监测电机参数和状态，以及与主机系统的通信等。

目前，8位MCU主要用于低成本，低性能场合，16位、32位DSP/MCU则用于中/高性能场合。其中DSC的性价比是比较高的。

关于电机控制方案，DSP、MCU和FPGA各有其优特点。DSP因为数据处理能力强、运算速度快，适用于高端复杂的电机系统控制，如实现交流感应电机的空间矢量控制算法、无传感器的空间定位等，但它依赖于软件算法的成熟度和稳定性，对开发者的要求比较高。此外因为内核电压及接口电平主要是3.3V或者1.8V，对电机驱动器需要相关电平的驱动电路支持。

单片机带DSP的功能一般运用于比较高端的，速度要求比较快的应用。Microchip的16位单片机带有DSP功能，支持定点小数格式数学运算，可以很方便的实现小数乘法。FPGA有自己的特点，它很灵活，但入门门槛高，单价高。一般用于量不大的领域。

通过上面的介绍，大家应该对MCU、DSP、FPGA各自的特点以及适合的应用场合都有了一些了解了，那么今天主要想跟大家分享在我们电机控制项目中对MCU的选取需要考虑那么东西？

那么我们拿到一个项目，客户会给我们一个项目需求，这个项目需求中会包括整个项目要实现的功能，以及完成这个功能要达到的技术指标，那么选型MCU就需要根据功能及其技术指标来考虑。

对于一个电机控制系统来说，其实有一些MCU的外设模块是必须用到的，例如IO模块、ADC模块、PWM模块、通讯模块、定时器模块、输入捕捉模块。

图三：MCU外设模块示意图

IO模块用于一个简单的输入输出功能的实现，可以用于按键及LED灯的控制。

ADC模块用于模拟量的采集，可以用于旋钮调速、电压采集、电流采集、温度采集等等，在有的电机控制算法中，对模拟量的采集要求并不是很高，所以ADC模块的速率要求就比较低，但是在FOC算法控制中，需要对相电流进行采集，整个算法都是围绕着电流进行的，所以对ADC模块的速率就会有要求了，需要高速ADC，这样才能获取准确的采样位置的电流结果，算法的计算精度就会更加准确。

PWM模块用于输出PWM波驱动逆变桥，从而驱动电机，对PWM模块的要求是要分辨率足够高，如果要驱动三相电机的话，那么就需要至少产生三路PWM信号，如果要做正弦波控制的话，还需要PWM模块能够产生互补PWM信号及死区设定。一般的电机控制系统中，都会对系统进行保护，所以最好PWM模块提供故障输入功能，用于在发生故障时能够及时关断PWM输出，达到保护系统的目的。

通讯模块用于单片机跟外部进行信息传输，比如串口通讯模块，可以支持上位机跟单片机之间的通讯，像串口程序升级、串口调参等等。在有的系统中，485、CAN通讯也会被使用，其目的还是用于单片机跟外界进行数据传输。不同的通讯方式适用场合也不同，有的需要高速数据传输，因此SPI、USB等通讯方式就需要被使用，而有的只是作为一个指令控制，不需要很高的通讯速率，一般普通的串口通讯就可以实现。

定时器模块用于一些定时任务，如需要一段时间执行什么任务，就可以用定时器模块来控制时间，有的单片机定时器模块跟PWM模块是集成在一起的，所以也有PWM波生成的功能，比如STM32单片机就是这样的。

输入捕捉模块用于捕捉外部的数字信号，比如需要测量电机的速度，可以利用输入捕捉模块对霍尔信号进行捕捉，也或者对一个PWM信号进行捕捉，可以得到PWM信号的周期和占空比，这个PWM信号作为电机系统的调速信号使用。