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內(nèi)核硬,性能高—盤點主流步進電機主控芯片

Robot Vision ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:李寧遠 ? 2021-09-15 08:00 ? 次閱讀
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說到電機主控芯片,市面上國內(nèi)國外對應的產(chǎn)品都非常多,很難用好或者不好來界定。電機種類的不同,應用場合的不同,功率等級的不同都影響著電機如何選擇合適的主控芯片。如果只應用于消費級,能實現(xiàn)簡單的六布控制,那普通的51單片機就能夠?qū)崿F(xiàn)。當需求提升到工業(yè)級,又或是提升到車規(guī)級,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,來看一看步進電機所應用的主流主控芯片。在上一期討論步進電機轉(zhuǎn)型閉環(huán)控制潮流的文章中,已經(jīng)提到過,步進電機閉環(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計復雜的浮點運算。當然,STM32也仍然以又小又好用的特點持續(xù)活躍在電機控制領(lǐng)域。
值得一提的是,快速傅里葉變換、PID控制器、電機控制庫這些在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值得做出高溢價了。
書回正傳,這里挑選一些主流大廠的步進電機主控芯片來做介紹。

TI系列

用在電機驅(qū)動上最多的還是TI C2000系列。很難界定這個系列到底屬于MCU還是DSP。雖然官方把它分類到MCU,大概是因為C2000不需要接外部存儲器就能自成系統(tǒng)。但C2000中有專門針對數(shù)字信號處理運算的匯編指令DMAC,而且為這種指令設計了專門的尋址方式,有了這種專門的指令,使得C2000在處理類似的運算時效率要比RISC指令集的普通MCU快很多,有這種專門針對數(shù)字信號處理算法設計的指令集的CPU理應屬于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300MIPS的速度。這些實時單芯片控制解決方案具有強大的集成外設,可以說是專為各種控制應用而設計。除了C28x-CPU之外,這個系列還可以并行運行一個額外的 CPU (CLA-CPU),來減輕控制處理任務的負載。CLA-CPU能夠以32位浮點格式高效執(zhí)行控制數(shù)學運算,獨立于C28x-CPU處理中斷并訪問如 ADC 和 PWM這些外設的資源??傮w系統(tǒng)性能在并行CPU處理下得到了極大提升。
在驅(qū)動上C2000系列凝聚了多項技術(shù)的PWM模塊支持高級計時和生成技術(shù),以控制復雜的功率級,同時微邊沿定位技術(shù)創(chuàng)建精確的 PWM 波形以提高系統(tǒng)性能。在傳感上這個系列有高達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可以說是專為實時控制量身打造。
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器件在實時信號處理,并行信號處理這些高性能指標上足夠強大。事件響應速度<10ns,功耗低于200μW/MHz,且執(zhí)行效能大于12GFLOPs/W,同時還能提供高達200GFLOPS和400GMACS的性能。在步進電機向閉環(huán),向一體化發(fā)展的潮流中,越來越多廠商開始選擇電機專用DSP。

STM32

這一系列想必大家同樣不會陌生。下圖是STM32系列電機控制應用圖示。
(圖源:ST官網(wǎng))
比較典型的電機控制芯片是單顆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、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內(nèi)核。STM32F4的賣點主要是FPU和DSP指令集。F4系列的運行速度也很不錯,能夠在168MHz高速運行時達到210DMIPS的處理能力。對比TI的系列可以說價格上意法半導體的STM32F4更親民。這兩個主流的系列其實沒什么太多好比較的,在步進電機控制都是主流硬通貨。

TRINAMIC系列

TRINAMIC作為德國運動伺服控制的大神級別的供應商,在步進驅(qū)動芯片領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
先挑單軸步進驅(qū)動芯片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驅(qū)動芯片。它的特點在于靜音驅(qū)動,帶有StealthChop靜音驅(qū)動,SpreadCycle平滑運行,MicroPlyer微步插補等功能,實現(xiàn)步進電機實現(xiàn)步進電機的超靜音和抑共振。
TMC2226則是雙軸雙極步進電機驅(qū)控一體芯片。這個系列是TRINAMIC在2020年推出的。該芯片繼承了此前系列的StealthChop2無噪音運行。同時先進的斬波器提高了效率和電機轉(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)動電機時將噪聲和振動保持在最低水平。
早在1996年,Trinamic就開始使用DSP,在運控領(lǐng)域,旗下運控芯片可以說是行業(yè)風向標。

小結(jié)

主流步進電機芯片可以說是各有千秋,并都占有一定市場。同時國內(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)著相當大的先發(fā)優(yōu)勢。
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