與傳統的定點 MCU 解決方案相比，當將浮點硬件單元添加到 CPU 內核以內聯執行指令時，可以提高電機控制效率。

　　隨著對使用節能技術的日益關注，工程師們越來越多地將他們的控制設計轉向更高效的三相無刷直流電機 （BLDC） 和永磁同步電機 （PMSM）。這些電機的電機控制算法通常采用矢量和無傳感器矢量控制，其中涉及速度和位置的復雜變換和控制回路。工業應用通常采用基于傳感器的控制，因為需要更高的精度，而消費產品應用由于其成本敏感的性質，通常使用無傳感器配方。

　　矢量控制提供對電機速度和扭矩的高效和準確控制。這是通過將交流電動機的三相定子電流解耦為磁通分量和轉矩分量來實現的。因此，可以直接控制轉矩和磁通（類似于直流電機），從而實現快速的動態響應和出色的穩態性能。事實上，矢量控制使 BLDC 電機驅動器的性能與直流電機驅動器的性能相當，甚至更勝一籌。

　　無傳感器矢量控制 （SVC） 通過在設計中取消速度傳感器來降低成本，根據觀察到的定子電流估計電機的速度和轉子的位置。SVC 使用復雜的坐標變換和電機數學模型，需要大量計算。因此，SVC 與 VC 一樣，需要具有高計算能力的快速 MCU。

　　直到最近，有幾個因素阻礙了這些先進的電機控制技術獲得更廣泛的接受：（1） 復雜的理論數學建模，（2） 涉及的實施策略，以及 （3） 傳統的微控制器 （MCU） 和數字信號處理器 （DSP） 實施矢量控制。MCU 和 DSP 使用定點公式，因為這些設備通常沒有硬件浮點單元 （FPU）。

　　可以合理地得出結論，硬件浮點單元將使矢量控制實現更加簡單和快捷，因為在矢量控制算法中非常常見的乘法、除法和三角函數可以使用浮點更有效地執行價值觀。但由于工程師更喜歡基于知識而非假設進行設計，因此本文將提供性能測試數據，比較使用瑞薩電子浮點 MCU RX 系列的實現與使用定點 MCU 的設計。

　　我們將展示使用嵌入式 FPU 的解決方案可在 BLDC 和 PMSM 電機上提供更輕松的開發、更高的效率和更低的功耗。具體來說，我們將討論使用定點和浮點實現的幾個關鍵計算，并展示 FPU 如何在 PI 和 PID 控制回路、克拉克和帕克變換、轉換為當前值的 ADC 測量以及編碼器數據處理方面提供優勢。

　　關鍵計算領域

　　出于測試和分析目的，我們將重點關注 FPU 可能產生影響的四個關鍵計算領域。

　　第一個區域是電流和速度變量的 PID 和 PI 回路。PID（比例-積分-微分控制器）是工業控制系統中最常用的反饋控制器。PI 控制器（比例積分控制器）是 PID 控制器的一種特殊情況，其中不使用誤差的微分 （D）。

　　使用瑞薩電子 RX62N 開發平臺執行的測量，針對兩個電流控制器和一個速度控制器實現為 PI 回路，如下表 1 所示。基于 FPU 的實現在 CPU 帶寬和代碼大小方面提供了明顯的優勢。

　　表 1：PI 回路的測試比較

　　第二個領域是稱為克拉克和帕克變換的坐標變換。但是，需要一些背景知識。矢量控制公式的目標是將三相交流電機等效轉換為直流，然后像控制直流電機一樣控制交流電機，直接控制電機磁通和轉矩。

　　要將三相電流轉換為兩相直流電流，第一個變換稱為克拉克變換，表示為 αβ→

　　abc

　　在下面的圖 1 中。它將三相定子框架中的三個平衡電流轉換為正交靜止框架中的兩個相位平衡電流。這發生在與定子框架相同的平面上，但兩個軸之間的角度是 90 度而不是 120 度。變換方程如圖 1 左下角所示。

　　第二個變換

　　dq

　　→αβ 稱為 Park 變換，由圖 1 右下方的等式給出。它將靜止框架轉移到轉子框架，使交流電流變為直流電流。同樣在圖 1 中，F 是磁動力，θ 是 d 軸和 α 軸之間的角度，也稱為轉子角。

　　圖 1：向量公式中使用的 Clarke 和 Park 變換

　　我們對 Clarke 和 Park 變換的組合進行了測量，結果如表 2 所示。可以看到 CPU 帶寬和代碼大小的顯著改進。

　　表 2：Clarke 和 Park 變換的測試比較

　　第三個領域是基于當前測量的角度估計。這些計算非常復雜，結果如下表 3 所示。在這種情況下，CPU 帶寬有很好的提升，而代碼大小有很小的提升。

　　表 3：位置估計的測試比較

　　第四個方面是將 ADC 測量值轉換為適當的電流值。結果顯示在下面的表 4 中。我們再次看到兩種測量的改進。

　　表 4：傳感器測量的測試比較

　　對于整體測試，我們為瑞薩電子 RX62N 設備實現了一個完整的定點和 FPU 格式的無傳感器矢量控制算法。使用我們的 HEW 工具編譯算法代碼并將其下載到 Renesas RX62N 設備的閃存中，并使用其開發板，我們測試了 CPU 帶寬和代碼大小的完整算法。結果如表 5 所示。對于 CPU 帶寬，實現了近 35% 的改進，而代碼大小減少了近 45%。總的來說，我們發現 FPU 使矢量控制變換以及位置和速度估計更容易和更準確。需要注意的是，RX62N 的 FPU 非常簡單，只有 8 條指令，但它對電機控制算法的影響非常顯著。

　　表 5：整體算法的測試比較

　　支持 Renesas FPU 的 MCU

　　讓我們仔細看看我們測試中使用的 Renesas MCU 可用的資源。Renesas RX600 CPU 架構是一種復雜指令集計算 （CISC） 架構，具有 16 個通用 32 位寄存器和 9 個控制寄存器來處理快速中斷。此外，該架構還具有內存保護單元、片上調試、DSP 指令（48 位和 80 位 MAC、桶形移位器）和硬件除法器。

　　RX600 內核具有符合 IEE-754 標準的單精度 32 位浮點單元。FPU 緊密連接到共享相同寄存器的 CPU（參見圖 2）。競爭架構必須經過額外的步驟，首先將操作數值加載到通用寄存器中，然后將它們移動到浮點的專用寄存器中。浮點單元的結果隨后被移動到專用寄存器，然后返回到通用寄存器存儲到內存中。

　　圖 2：RX600 FPU 實現使用通用寄存器來執行所有指令

　　與早期的 CISC CPU 相比，RX CPU 實現了大約四倍的算術計算性能，即 165 DMIPS（Dhrystone 7 MIPS）。特別是，32 位乘法最多可以在一個周期內執行（除法需要 2 到 8 個周期），因此可以更快地執行電機控制的矢量計算。一旦在 PC 上開發了電機控制算法，使用 Matlab 等高級抽象工具，它們就可以直接移植到 FPU 中，以便在硬件平臺上進行進一步測試和檢查。

　　概括

　　總而言之，當將浮點硬件單元添加到 CPU 內核以內聯執行指令時，可為電機控制等嵌入式應用帶來更高的性能和更簡單的軟件開發。性能測試生成的數據用于將此實現與使用定點 MCU 的設計進行比較。

　　這些實驗表明，FPU SVC 的 CPU 帶寬使用與定點 SVC 相比顯著降低，并且 FPU SVC 的代碼大小是定點 SVC 的一半，這使得使用具有更小的閃存尺寸，從而降低了成本。

　　因此，數據表明，在 MCU 中添加 FPU 可實現計算更先進的算法，有助于提高電機控制效率并節省能源，同時擴展系統功能。

　　更重要的是，從模擬中創建代碼很容易，因為所有代碼都是用 C 編寫的。當程序員完成代碼并且系統工程師正在查看代碼時，很容易理解代碼以及更改的影響變量值。