MCU電機(jī)高轉(zhuǎn)速與精密位置控制新風(fēng)向：雙電機(jī)控制

在由電子發(fā)燒友主辦的2021秋季電機(jī)控制先進(jìn)技術(shù)研討會(huì)上，眾多BLDC驅(qū)控芯片廠商分享了他們?cè)贐LDC上的應(yīng)用新玩法。筆者在大會(huì)上見(jiàn)識(shí)了很多新的電機(jī)控制組合，比如今年熱度很高的“一拖三”電機(jī)控制，雙電機(jī)控制平臺(tái)，強(qiáng)隔離驅(qū)控等等。

在眾多的玩法里，今天來(lái)看一看雙電機(jī)平臺(tái)應(yīng)用。電機(jī)控制的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)速和扭矩，雙電機(jī)控制要么是轉(zhuǎn)速同步控制要么是扭矩同步控制。雙電機(jī)控制的價(jià)值在于兩個(gè)電機(jī)的功率和一定要小于單電機(jī)最大功率，這樣才有實(shí)際使用價(jià)值，否則怎么算成本都是虧的。另外則是在雙電機(jī)控制下有更精準(zhǔn)的位置控制，這在工業(yè)應(yīng)用，移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中有很大的用武之地。在和這些MCU廠商交談時(shí)，他們的雙電機(jī)應(yīng)用主戰(zhàn)場(chǎng)都不約而同指向了工業(yè)設(shè)備與機(jī)器人領(lǐng)域。

交叉耦合控制、偏差耦合控制、虛擬主軸控制等等這些電耦合控制在雙電機(jī)同步控制中都各有利弊，各廠商也都采用的不同的方案。比如交叉耦合控制在同步能力和抗干擾能力上很強(qiáng)，但是需要FOC彌補(bǔ)耦合弊端。不管采用什么控制，大到工業(yè)機(jī)器人，小到服務(wù)機(jī)器人都需要電機(jī)精準(zhǔn)位置控制。雙電機(jī)控制無(wú)疑會(huì)為此類應(yīng)用帶來(lái)更好的驅(qū)控。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，雙電機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)在于僅用一顆MCU就能控制所有電機(jī)。ST在大會(huì)上這套方案是基于STM32G4/STSPIN32G4來(lái)做的。在此套方案之前，ST也推出過(guò)基于M4核的STM32F415ZGT6和STM32F303CC的雙電機(jī)控制。

（STM32F415ZGT6雙電機(jī)控制板，ST）

基于STM32F415ZGT6的STEVAL-IHM039V1雙電機(jī)控制板已經(jīng)可以進(jìn)行雙FOC控制，雖然在運(yùn)控上這個(gè)板并沒(méi)有太多讓人眼前一亮的地方。相比之下，同是早前推出，基于STM32F303CC的 STEVAL-IHM042V1雙電機(jī)控制板則更有聊頭。

（STM32F303CC雙電機(jī)控制板，ST）

這個(gè)板子為MCU提供了浮點(diǎn)計(jì)算支持并集成了兩個(gè)DMOS L6230三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)。STM32F303CC MCU具有48 KB內(nèi)部SRAM、256 KB閃存、4個(gè)ADC、2個(gè)DAC、7個(gè)比較器和4個(gè)可編程增益運(yùn)算放大器。內(nèi)置的L6230 DMOS驅(qū)動(dòng)器可以輸出2.8 A的峰值電流。在安全性上這個(gè)平臺(tái)也有保障，非耗散過(guò)電流檢測(cè)、交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)、熱關(guān)斷和欠壓鎖定這些都是標(biāo)配。

相比于上述兩個(gè)系列，基于STM32G4/STSPIN32G4的雙電機(jī)控制在兩個(gè)單獨(dú)控制器之間不需要通信總線，也會(huì)擁有更好的同步性能。尤其是基于SPIN系列的設(shè)計(jì)會(huì)擁有更緊湊的PCB尺寸，在集成度上會(huì)做的更高。得益于PCB尺寸減小，無(wú)源外部器件數(shù)量也減至更少，在成本上算回了一筆賬。

（基于STM32G4/STSPIN32G4的工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用雙電機(jī)平臺(tái)，ST）

MCU加上驅(qū)動(dòng)再加上電源管理，這種高集成度帶來(lái)的尺寸上的減少大概在6成。最多低至15μA的最低消耗解決了用戶對(duì)于低功耗的硬性要求。它可以支持FOC以及有感控制，并選擇了磁編碼器來(lái)提供準(zhǔn)確的位置控制。為了使該控制平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的位置控制以契合工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用，該平臺(tái)另外集成了IMU進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集以及對(duì)飛行時(shí)間數(shù)據(jù)采集。

（性能評(píng)估，ST）

在ST給出的性能評(píng)估中，即使在運(yùn)行基于無(wú)傳感器FOC的雙高速電機(jī)控制時(shí)，CPU仍然具有50%左右的CPU資源去處理其他任務(wù)。轉(zhuǎn)速和響應(yīng)時(shí)間這些基礎(chǔ)指標(biāo)展現(xiàn)出的高性能也能從上表中看出。

不少國(guó)內(nèi)廠商也推出了雙電機(jī)方案。雖然目前國(guó)內(nèi)廠商沒(méi)有將這種方案單獨(dú)推出來(lái)，但從大會(huì)展示的產(chǎn)品上看得出國(guó)產(chǎn)廠商的雙電機(jī)方案也都在轉(zhuǎn)速，位置控制上下足了功夫。這種雙電機(jī)方案，得益于比起同類驅(qū)控更精的位置控制，在工業(yè)和機(jī)器人高端應(yīng)用中預(yù)計(jì)會(huì)有相當(dāng)大的市場(chǎng)。