如何控制BLDC電機的運動基于Arm MCU的BLDC電機控制算法研究

BLDC 電機發展至今，已經超過50年。隨著半導體技術的發展，MCU、驅動組件的普及，使得BLDC電機的成本降低了很多，電機的行業應用也正隨著自動化水平的提高而不斷提升，相信到2020年會迎來一大波新增長。

據<電子發燒友>統計和估算，2018年全球BLDC電機市場規模為153.6億美元，這里的市場規模包括電機本體和電機驅動部分一起。預計未來4年將會以6.5%的年復合增長率增長，預計到2022年將會達到197.6億美元。

BLDC市場增長的原因，與BLDC電機本身的特性密不可分，比如BLDC電機具有體積小、重量輕、噪聲小、轉矩特性好、啟動轉矩大、調速范圍廣、效率高，以及壽命長等特點。

當然，市場的增長離不開具體應用的推動，BLDC的應用場景有很多，目前增速比較快的應用主要有工業控制、家用電器、消費類電子、機器人、物流自動導航車、汽車、無人機等等。市場熱點主要關注以下幾個領域：

Arm?32位MCU助力舵機行業產品升級

目前市面上可供選擇的MCU有很多，但應用最多的是32位Arm內核MCU。從2018年中國市場Arm Cortex 內核MCU的累積出貨排名可以看到市場份額的逐年變化趨勢。

圖1：2018年中國Cortex內核MCU供應商市場份額占比情況

（數據來源：IHS Markit）

根據IHS Markit最新的調研統計數字，2018年中國Arm Cortex內核MCU市場大多數份額為國際MCU廠商所占據，但好消息是中國通用MCU廠商GigaDevice（兆易創新）成功保持在了市場前三的位置，市占率達到9.4%。相比2017年而言，排名第一的STMicroelectronics占比下降1%，第二名的NXP占比下降2.8%，TOP3的GigaDevice則上升了3.6%，也顯示出中國半導體發展的強勁態勢。

目前機器人市場主要分為工業機器人、商用服務機器人，以及消費級機器人。隨著機器視覺、語音識別以及深度學習等人工智能技術的發展，消費級機器人已經快速進入市場并在智慧家庭、看護陪伴等領域迅速普及。機器人產品核心部件之一就是舵機，這也是機器人中使用最頻繁的部分。舵機的大小和數量決定了機器人做動作的靈活性。據估計舵機部分將會占到機器人成本的40%以上。舵機通過電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉動角度，ＭＣＵ控制板根據電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的電機控制方式叫閉環控制，所以舵機更準確的說是伺服馬達。

機器人舵機主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位器、直流電機和控制電路板等部件組成。從圖2的BLDC電機驅動框架圖可以看出，每個舵機都需要一顆MCU來進行控制。

圖2：BLDC電機驅動框架圖

談到兆易創新的32位Arm內核MCU產品，不得不提到量產多年，在電機控制產品圈熱銷的GD32F130系列產品。GD32F130 產品是兆易創新于2014年推出的基于Cortex-M3內核的MCU，為工程師提供了電機控制的主流解決方案。2017年，基于Cortex-M4內核的GD32F330產品則進一步以超值特性為成本敏感的電機控制應用開辟了道路。

2018年兆易創新又推出了基于最新Arm Cortex-M23內核的入門級產品，GD32E230和GD32E231系列MCU，片上集成了電機控制所需的多種模擬外設，包括能夠輸出三相互補PWM波形的高級定時器、高性能ADC、比較器和高速運放等，持續為輕量級的電機控制開發提供最優的解決方案。

家電變頻化已成市場主流

隨著中國家電行業執行5級能效標準，能效標準變得更加嚴格，變頻電機市場開始轉熱。據市場機構預測，2010至2022年，家電變頻電機中的半導體含量將實現8倍增長。

現在無論是我們日常生活常見的空調、洗衣機、冰箱、油煙機，還是當前普及率正在提升的洗碗機，智能吸塵器，破壁料理機等都開始實用變頻電機。以正在興起的變頻冰箱為例，由于冰箱壓縮機的轉速決定了冰箱內部的溫度，而變頻冰箱壓縮機的轉速可根據溫度來發生改變，就可以讓冰箱根據當前的溫度情況做出調整，讓冰箱內的溫度更好地保持恒定。這樣，食物的保鮮效果將更好。由于變頻冰箱壓縮機大都選擇BLDC電機，因此工作的時候效率更高，噪聲更小，使用壽命也更高。

所謂的變頻調速就是通過改變定子電源的頻率來改變電機的轉速，從而實現節能和提高效率的目的。要實現變頻調速就需要變頻器的幫助，現在的變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路，以及控制器（MCU/DSP）等部分組成。

圖3 冰箱壓縮機變頻控制板正面

筆者近期拿到了一塊由深圳華芯控股科技設計的冰箱壓縮機變頻控制板，其中變頻板的主控MCU正是采用了GD32F130產品，并已經被應用于國內外多家主流品牌冰箱產品中。GD32 MCU在家電變頻行業的廣泛應用也可見一斑。

手持云臺大眾化前景看好

近年來，隨著視頻直播越來越火，智能手機的拍照功能越來越強，Vlog制作、抖音神器等智能硬件已成為當下火爆的“剛需”。為了提升拍攝時的穩定性，手持云臺正在走進日常生活并成為常見的攝影輔助工具。

目前從事手持云臺產品開發的公司也有不少，一線品牌有大疆創新（DJI）的OSMO靈眸，以及線上熱銷的智云Smooth、飛宇G6等多家廠商。

云臺產品至少要有三個BLDC電機，來控制XYZ三個方向上的運動，其次還有一個固定相機的裝置，這個裝置里面會有運動傳感器來感測相機的位置變化。

云臺產品的技術難點在于如何控制BLDC電機的運動。首先，電機需要用PMSM FOC算法來實現精準順滑的伺服控制；其次，要保證相機的穩定性和各種跟隨操作，必須將相機固定裝置內傳感器采集到的信號，實時地進行三維姿態解算和姿態控制。也就是說，做一個手持云臺產品并不容易。

早期的國內云臺產品基本都是采用俄羅斯人Aleksey Moskalenko的開源云臺控制系統算法開發的。經過行業的不斷發展和創新，現在中國也有很多廠商具備了研發能力，前面提到的三個主流品牌基本都是采用自有技術。目前IC國產化的趨勢正日益明顯，行業內的公司都開始著手準備國產化的替代方案。最常見的國產替代方案，就是采用GD32F4系列Cortex-M4 MCU產品去升級或重新開發早期的云臺控制方案。

并且早期的云臺控制原型是用一顆MCU控制一個BLDC電機的轉動，通過中國工程師不斷創新，已經實現了用一顆高性能的Cortex-M4F內核MCU同時控制兩個軸向的BLDC電機。不僅可以簡化云臺產品的PCB設計，方便整機ID設計，也可以很好地控制產品的成本，從而更有利于大眾化普及。

基于Arm?MCU的BLDC電機控制算法研究熱度不減

在逐漸興起的BLDC電機控制應用中，磁場定向控制（FOC）技術正變得越來越流行，這樣能夠確保電機在任何時候都能以最佳的扭矩，高效地運行；其出色的動態相應可以實現精準的可變速度控制；再加上FOC的低扭矩波動可讓電機在運行、啟動和停止時，保持平穩運轉。

FOC控制雖好，但要實現這些優勢就需要MCU或者DSP有足夠的計算能力來處理這些復雜的三角方程，以及電機轉自狀態觀測。早年如果要實現高性能的電機控制算法，需要使用TI 的C2000系列DSP。近年來Arm公司推出Cortex-M4內核，集成了完整的DSP指令集、并行計算能力和專用單精度浮點運算單元（FPU），就可以有效滿足FOC算法和電機轉子位置的觀測算法對MCU計算能力的需求，拉近了MCU和DSP在運算能力上的差異。包括STMicroelectronics、NXP、GigaDevice、ATMEL等MCU廠商也紛紛推出相應的MCU產品。

圖4 高性能電機控制系統框圖

為了幫助客戶使用MCU芯片評估FOC算法和電機狀態觀測器算法，GigaDevice（兆易創新）推出了GD32F450Z-BLDC評估板并提供了相應的開發工具包(SDK)，GD32F450系列MCU具備了200MHz的Cortex-M4F內核和2.6M采樣率高性能ADC等豐富的模擬外設，電機開發工程師就可以使用開發套件進行各類電機控制算法的研究。

圖5?GD32F450Z-BLDC評估板

結語

隨著半導體技術的進步，BLDC電機開始興起，并逐漸替代傳統電機，特別是在工業控制、家用電器、消費類電子、機器人、物流自動導航車、汽車、無人機等應用領域。BLDC電機的興起，對MCU的需求量將會持續增長，2018年全球MCU的出貨量306億顆，未來幾年還將會保持高速增長。

從城市電摩騎行和即時配送的產業化升級、到消費家電產品的不斷智能化創新，再到BLDC控制的變頻化發展，一方面需要中國嵌入式工程師勇于創新，敢于突破現有的行業成規；另一方面芯片供應廠商也要持續不斷提供性能和價格更好，同時方便開發者使用的新產品。這也給中國的MCU芯片廠家提供了廣泛的市場機會和更大的發展動能。?

編輯：峰會

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