详解运动控制3要素:芯片、算法和方案
引言
不管是当前火热的AI，机器人，物联网，风口有多大，运动控制是必要的组成部分。运动控制这里指的是用电机来控制机器的位置或速度。而在电机控制上，有三个方面的考虑因素，芯片性能，算法设计和系统解决方案。电机控制也是种类繁多，这里主要描述的是直流无刷电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM），这2种电机都可以用方波或者正弦波控制，对于充磁为正弦波的电机，使用正弦波控制静音效果会更好。
2019“华秋”第五届中国硬件创新大赛全国总决赛将于11月17日在深圳会展中心举办，大赛组委会为大家带来总决赛入围项目“江苏宏云”的专栏文章，人工智能，物联网？都离不开运动控制。
电机控制的主控芯片
电机控制的主控芯片通常用MCU或者DSP，方波控制对芯片的性能要求不高，对于要求不高的应用，8位MCU就够了，对于复杂的应用，就需要更高的性能的MCU，如32位MCU。无论是家电，或者其他行业应用，对无刷电机的要求大多在两点上，一个是节能，另外一个就是静音。用正弦波控制，也就是大家常说的FOC矢量控制，电机的电磁噪声比方波控制的噪声会小很多，达到真正的静音。要实现FOC矢量控制，FOC频率或者PWM频率通常要在16KHz以上，人耳不容易听到，这就要求主控芯片有足够的性能。FOC性能方面，当前主控芯片有如下几种形式：
1.
MCU+运算加速器，这里的MCU通常性能不高，性能用加速器来补充，加速器是指乘法器，除法器，CORDIC运算等等，典型的芯片如英飞凌的XC800系列，凌阳单片机。
2.
MCU+可编程引擎，类似于第一种形态，只是这种引擎一般由专用的可编程加速指令来实现，指令在20条左右，颗粒度大。典型的芯片如IR的IRMCF171，峰岹的6831等等。
3.
MCU+DSP，类似于第二种，只是这里的DSP是通用DSP，通常有100多条指令，也含有CORDIC指令等特殊指令，通用DSP，指令多，可编程灵活，典型的芯片如江苏宏云的JMT1808R和JMT1801ED。
4.
基于ARM Cortex M0的MCU，这种MCU以ST的030系列为主，国产兼容芯片也比较多，因为大多数是48MHz的M0，可以实现一些基本的FOC，复杂一些场景就有点力不从心了。
5.
基于ARM Cortex M3的MCU， 这种MCU以ST的STM32F103系列为代表，国产兼容芯片也比较多，M3的芯片大多在70MHz以上，能满足大部分FOC的性能要求。
6.
DSC芯片，这类型的芯片实际上的带有控制功能的DSP，典型芯片有IT的C2000，NXP的MC56Fxxxxx，Microchip的dsPIC33Fxxxx等等，性能比较高。
电机控制的算法
电机控制领域不是有了芯片就可以了，芯片只是提供需要的性能，而算法是芯片之外的，跟电机控制理论相关的，这也给芯片公司进入电机控制市场增加的门槛，只有芯片是不够的，还需要有足够领先的电机控制算法。
电机控制中，带有位置传感器的的控制为有感控制，有感控制在电动自行车领域用的比较多，还有些应用领域安装霍尔传感器困难，或者为了降低成本，用无感控制。有感控制比无感控制方便的地方是有了位置信息，无感没有位置信息，就要估计位置，所以无感的算法要求就高一些，除了位置相应的如角度，转速等等估计不同之外，其它的控制部分在有感和无感中是相同的。
无论是有感还是无感，控制方式常用的就两种，方波控制和正弦波控制（FOC矢量控制）。
无感控制在启动和低速时常会碰到困难，有时启动不了，有时带载无力。启动是无感控制的难点之一，这是因为电机启动时的位置不确定，而启动的角度跟实际角度不相同时，导致抖动和反转，以至于电机不能正常启动。为了解决启动问题，算法上先要找到电机起始的位置，常用的算法为变电感法，高频注入法等等。
方波控制因为成本低，使用非常广泛，正弦波控制因为静音，越来越受大家的喜爱。有些场合，如变频电风扇，空气净化器，新风系统，空调，冰箱等等都需要静音，正弦波控制成为必须。正弦波控制算法还可以通过弱磁技术来提高电机的转速，这个特点在变频洗衣机里得到发挥，如BLDC，DD（直驱）电机如果不用弱磁，转速根本就转不上去，利用弱磁算法，可以提升3.x倍的转速，一个不用弱磁在6000转左右的BLDC电机，弱磁后可以到20000转（电机四对极时，电转速到达8万多转)。
电机控制的方案
电机控制因为供电不同，应用场景不同，就会有不同的控制方案相对应。
1.
高压变频吊扇，国内大多用220V整流后到直流310V，也就是常说的高压吊扇，以隐形灯扇为例，因为静音，所以要用正弦波控制，另外启动要求不反转，不抖动，无感FOC要有定位算法，江苏宏云的吊扇方案使用JMT1808R DSP芯片，用高频注入定位，性能较高，在出口产品中使用较多。
2.
低压无感吊扇，低压吊扇（24V左右）在印度，东南亚国家使用较多，主要是那里的供电不稳，太阳能供电等原因，必须用低压电扇，低压吊扇方案上主要有峰岹的6831，江苏宏云的JMT1801ED。
3.
低压变频立扇，空气净化器等，这类方案以日本电产的电机为主，一般用有感正弦波控制，美的，艾美特，小米等都有大量出货，江苏宏云的芯片JMT5801在立扇上的应用表现出更高的性价比，展现出较好的竞争力。
4
扫地机，扫地机市场也在不断增加，当前很多扫地机的电机还是用的有刷电机，有刷电机的特点就是便宜，价格可以用斤称。但有刷电机不好的一面是转速低，也就是是吸力不够，牙签，豆子吸不起来，还有就是噪声大。扫地机的有刷转无刷也在进行中，无刷电机的转速可以到2万转，解决了吸力和噪声问题。江苏宏云的JMT5801芯片在扫地机正弦波控制领域因为性价比好，也有不错的表现。
5
手持吸尘器，手持吸尘器也算得上是个小风口，国产三相电机用的比较多，当前客户需求都需要用正弦波控制，吸尘器电机因为要求的转速高（8万转左右），电机相电感小，相电阻小，对FOC算法要求高，以至于要花非常多的精力来完善方案，花2年时间来做FOC吸尘器方案也不是夸张。客户要求用FOC的另外一个原因是在吸尘器上，FOC控制比方波控制的效率高出3%左右。在吸尘器效率测试上，江苏宏云的JMT1808R表现优异，以54.5%的高效率领先（注意这里是吸尘器堵孔13mm的效率，350W）。
6
筋膜枪，今年出现的另外一个小风口就是按摩枪，也叫筋膜枪，风靡了一阵子，筋膜枪方案开始大都是用方波控制的，现在到升级换代中，不少商家要求要做正弦波控制，减少电机的电噪声，江苏宏云的JMT5801芯片在筋膜枪的有感正弦波控制上也有不错的表现。
7
电动三轮车和电动自行车的应用已经非常普遍了，2轮车FOC方案基本上成了标配，而电动三轮车还是以方波控制为主，电动三轮车的FOC方案技术难点更大一些，江苏宏云的JMT1808R的电动三轮车控制在爬坡和能量回收方面有比较好的表现。
8
家电，家电行业以前都是由欧美大厂的芯片方案占领，近年来，家电行业转用国产芯片也有了开始，以滚筒洗衣机为例，有的家电厂家目前需要国产和国外芯片方案同时提供，这对于以前有的厂家明确规定不用国产芯片有不可同日而语。江苏宏云的JMT1808R芯片在洗衣机方案上，FOC控制加弱磁技术，在波轮和滚筒洗衣机的DDM，BLDC，DD控制方案上，全方位展开。
战无止境，创新不息
