MCU电机高转速与精密位置控制新风向：双电机控制

在由电子发烧友主办的2021秋季电机控制先进技术研讨会上，众多BLDC驱控芯片厂商分享了他们在BLDC上的应用新玩法。笔者在大会上见识了很多新的电机控制组合，比如今年热度很高的“一拖三”电机控制，双电机控制平台，强隔离驱控等等。

 

在众多的玩法里，今天来看一看双电机平台应用。电机控制的本质是控制转速和扭矩，双电机控制要么是转速同步控制要么是扭矩同步控制。双电机控制的价值在于两个电机的功率和一定要小于单电机最大功率，这样才有实际使用价值，否则怎么算成本都是亏的。另外则是在双电机控制下有更精准的位置控制，这在工业应用，移动机器人应用中有很大的用武之地。在和这些MCU厂商交谈时，他们的双电机应用主战场都不约而同指向了工业设备与机器人领域。

 

交叉耦合控制、偏差耦合控制、虚拟主轴控制等等这些电耦合控制在双电机同步控制中都各有利弊，各厂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扰能力上很强，但是需要FOC弥补耦合弊端。不管采用什么控制，大到工业机器人，小到服务机器人都需要电机精准位置控制。双电机控制无疑会为此类应用带来更好的驱控。

 

基于STM32F415ZGT6和STM32F303CC的双电机控制

 

简单来说，双电机控制的优势在于仅用一颗MCU就能控制所有电机。ST在大会上这套方案是基于STM32G4/STSPIN32G4来做的。在此套方案之前，ST也推出过基于M4核的STM32F415ZGT6和STM32F303CC的双电机控制。

 

（STM32F415ZGT6双电机控制板，ST）

 

基于STM32F415ZGT6的STEVAL-IHM039V1双电机控制板已经可以进行双FOC控制，虽然在运控上这个板并没有太多让人眼前一亮的地方。相比之下，同是早前推出，基于STM32F303CC的 STEVAL-IHM042V1双电机控制板则更有聊头。

（STM32F303CC双电机控制板，ST）

 

这个板子为MCU提供了浮点计算支持并集成了两个DMOS L6230三相电机驱动。STM32F303CC MCU具有48 KB内部SRAM、256 KB闪存、4个ADC、2个DAC、7个比较器和4个可编程增益运算放大器。内置的L6230 DMOS驱动器可以输出2.8 A的峰值电流。在安全性上这个平台也有保障，非耗散过电流检测、交叉传导保护、热关断和欠压锁定这些都是标配。

 

ST工业和机器人应用的双电机平台--基于STM32G4/STSPIN32G4

 

相比于上述两个系列，基于STM32G4/STSPIN32G4的双电机控制在两个单独控制器之间不需要通信总线，也会拥有更好的同步性能。尤其是基于SPIN系列的设计会拥有更紧凑的PCB尺寸，在集成度上会做的更高。得益于PCB尺寸减小，无源外部器件数量也减至更少，在成本上算回了一笔账。

 

（基于STM32G4/STSPIN32G4的工业和机器人应用双电机平台，ST）

 

MCU加上驱动再加上电源管理，这种高集成度带来的尺寸上的减少大概在6成。最多低至15µA的最低消耗解决了用户对于低功耗的硬性要求。它可以支持FOC以及有感控制，并选择了磁编码器来提供准确的位置控制。为了使该控制平台能实现更精准的位置控制以契合工业和机器人应用，该平台另外集成了IMU进行运动数据采集以及对飞行时间数据采集。

 

（性能评估，ST）

 

在ST给出的性能评估中，即使在运行基于无传感器FOC的双高速电机控制时，CPU仍然具有50%左右的CPU资源去处理其他任务。转速和响应时间这些基础指标展现出的高性能也能从上表中看出。

 

写在最后

 

不少国内厂商也推出了双电机方案。虽然目前国内厂商没有将这种方案单独推出来，但从大会展示的产品上看得出国产厂商的双电机方案也都在转速，位置控制上下足了功夫。这种双电机方案，得益于比起同类驱控更精的位置控制，在工业和机器人高端应用中预计会有相当大的市场。