內(nèi)核硬，性能高—盤點(diǎn)主流步進(jìn)電機(jī)主控芯片
說到電機(jī)主控芯片，市面上國內(nèi)國外對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品都非常多，很難用好或者不好來界定。電機(jī)種類的不同，應(yīng)用場合的不同，功率等級(jí)的不同都影響著電機(jī)如何選擇合適的主控芯片。如果只應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)，能實(shí)現(xiàn)簡單的六布控制，那普通的51單片機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)需求提升到工業(yè)級(jí)，又或是提升到車規(guī)級(jí)，國際上各原廠又有不同的方案推出。
這里我們將切入口縮小一點(diǎn)，來看一看步進(jìn)電機(jī)所應(yīng)用的主流主控芯片。在上一期討論步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)型閉環(huán)控制潮流的文章中，已經(jīng)提到過，步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)一體化過程中，很多廠商采用32位的DSP做為主控芯片以滿足設(shè)計(jì)復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算。當(dāng)然，STM32也仍然以又小又好用的特點(diǎn)持續(xù)活躍在電機(jī)控制領(lǐng)域。
值得一提的是，快速傅里葉變換、PID控制器、電機(jī)控制庫這些在STM32（F1/F2）里需要使用者自己寫的東西，在DSP里直接就有C庫。光是這些常見的高難度算法庫就可以理解為什么DSP值得做出高溢價(jià)了。
書回正傳，這里挑選一些主流大廠的步進(jìn)電機(jī)主控芯片來做介紹。
TI系列
用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上最多的還是TI C2000系列。很難界定這個(gè)系列到底屬于MCU還是DSP。雖然官方把它分類到MCU，大概是因?yàn)镃2000不需要接外部存儲(chǔ)器就能自成系統(tǒng)。但C2000中有專門針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的匯編指令DMAC，而且為這種指令設(shè)計(jì)了專門的尋址方式，有了這種專門的指令，使得C2000在處理類似的運(yùn)算時(shí)效率要比RISC指令集的普通MCU快很多，有這種專門針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)的指令集的CPU理應(yīng)屬于DSP一類。
（圖源：TI官網(wǎng)）
C2000 采用專有的32位內(nèi)核 (C28x CPU)，可以提供單周期操作和高達(dá)300MIPS的速度。這些實(shí)時(shí)單芯片控制解決方案具有強(qiáng)大的集成外設(shè)，可以說是專為各種控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)。除了C28x-CPU之外，這個(gè)系列還可以并行運(yùn)行一個(gè)額外的 CPU (CLA-CPU)，來減輕控制處理任務(wù)的負(fù)載。CLA-CPU能夠以32位浮點(diǎn)格式高效執(zhí)行控制數(shù)學(xué)運(yùn)算，獨(dú)立于C28x-CPU處理中斷并訪問如 ADC 和 PWM這些外設(shè)的資源。總體系統(tǒng)性能在并行CPU處理下得到了極大提升。
在驅(qū)動(dòng)上C2000系列凝聚了多項(xiàng)技術(shù)的PWM模塊支持高級(jí)計(jì)時(shí)和生成技術(shù)，以控制復(fù)雜的功率級(jí)，同時(shí)微邊沿定位技術(shù)創(chuàng)建精確的 PWM 波形以提高系統(tǒng)性能。在傳感上這個(gè)系列有高達(dá)12.5兆樣本/秒 (MSPS) 的轉(zhuǎn)換速率，采樣分辨率覆蓋12bit至16bit。TI C2000可以說是專為實(shí)時(shí)控制量身打造。
TI 的DSP系列從低功耗單核處理器覆蓋到高性能多核DSP和Arm SoC。這些DSP器件在實(shí)時(shí)信號(hào)處理，并行信號(hào)處理這些高性能指標(biāo)上足夠強(qiáng)大。事件響應(yīng)速度<10ns，功耗低于200μW/MHz，且執(zhí)行效能大于12GFLOPs/W，同時(shí)還能提供高達(dá)200GFLOPS和400GMACS的性能。在步進(jìn)電機(jī)向閉環(huán)，向一體化發(fā)展的潮流中，越來越多廠商開始選擇電機(jī)專用DSP。
STM32
這一系列想必大家同樣不會(huì)陌生。下圖是STM32系列電機(jī)控制應(yīng)用圖示。
（圖源：ST官網(wǎng)）
比較典型的電機(jī)控制芯片是單顆STM32F103，視情況加或者不加FPGA/CPLD，適用于單軸控制，這種方案在低成本驅(qū)動(dòng)器中十分常見，滿足基本的FOC控制還是沒問題的。市面上中端主流通用型的比較常見的是STM32F4+FPGA的異構(gòu)架構(gòu)，適用于單軸或者雙軸方案。
STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核。STM32F4的賣點(diǎn)主要是FPU和DSP指令集。F4系列的運(yùn)行速度也很不錯(cuò)，能夠在168MHz高速運(yùn)行時(shí)達(dá)到210DMIPS的處理能力。對(duì)比TI的系列可以說價(jià)格上意法半導(dǎo)體的STM32F4更親民。這兩個(gè)主流的系列其實(shí)沒什么太多好比較的，在步進(jìn)電機(jī)控制都是主流硬通貨。
TRINAMIC系列
TRINAMIC作為德國運(yùn)動(dòng)伺服控制的大神級(jí)別的供應(yīng)商，在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
先挑單軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片TMC2208-LA來看一下。
（圖源：TRINAMIC官網(wǎng)）
可以說這是最容易使用的軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片。它的特點(diǎn)在于靜音驅(qū)動(dòng)，帶有StealthChop靜音驅(qū)動(dòng)，SpreadCycle平滑運(yùn)行，MicroPlyer微步插補(bǔ)等功能，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的超靜音和抑共振。
TMC2226則是雙軸雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)控一體芯片。這個(gè)系列是TRINAMIC在2020年推出的。該芯片繼承了此前系列的StealthChop2無噪音運(yùn)行。同時(shí)先進(jìn)的斬波器提高了效率和電機(jī)轉(zhuǎn)矩。除了StealthChop2之外，該芯片還具有失速檢測，最大程度地降低能耗還能在較高速度驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)將噪聲和振動(dòng)保持在最低水平。
早在1996年，Trinamic就開始使用DSP，在運(yùn)控領(lǐng)域，旗下運(yùn)控芯片可以說是行業(yè)風(fēng)向標(biāo)。
小結(jié)
主流步進(jìn)電機(jī)芯片可以說是各有千秋，并都占有一定市場。同時(shí)國內(nèi)也有不少優(yōu)秀的廠商涌入這條賽道。從市場格局上來看，主流廠商仍然占據(jù)著相當(dāng)大的先發(fā)優(yōu)勢。
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