工業(yè)化通過在生活，商業(yè)或休閑等所有生活領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高水平的自動化，繼續(xù)塑造現(xiàn)代世界。賦予這些節(jié)省勞動力的設(shè)備的功能是過多的電動工具：電機(jī)。雖然它們都利用和利用相同的電磁現(xiàn)象，但電動機(jī)有多種形式。然而，最近的趨勢是使用低成本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如同步AC和無刷（通常無傳感器）DC電動機(jī)。電機(jī)設(shè)計的多樣性創(chuàng)造了效率權(quán)衡;他們需要生產(chǎn)的能量是根據(jù)他們消耗的能量來衡量的。隨著工業(yè)化的擴(kuò)展，不可避免的環(huán)境影響意味著這種權(quán)衡正在引起更多關(guān)注。對于家用，商用和輕工業(yè)應(yīng)用，可以說在電機(jī)使用增長最快的地方，趨勢是使用最低成本選項來平衡這種權(quán)衡，而不會影響環(huán)境立法和社會問題。

許多已建立的電機(jī)設(shè)計，如異步交流電機(jī)或有刷直流電，只需要基本的控制（圖1）。然而，通常，電動機(jī)的成本與其整體效率成反比。因此，雖然自動電機(jī)可能不需要外部控制電路，但它們通常僅返回適度的電源效率。通過引入“智能控制”，可以進(jìn)一步降低構(gòu)建成本，同時仍然提高整體電源效率。為了充分利用這一優(yōu)勢，制造商正在使用功能越來越強(qiáng)大的微控制器來實現(xiàn)控制電路，使其能夠從最簡單且最具成本效益的電機(jī)拓?fù)渲蝎@得最佳性能。將成本從電機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)向控制電子設(shè)備，使微控制器制造商有機(jī)會開發(fā)滿足該應(yīng)用領(lǐng)域特定需求的整個系列：數(shù)字信號控制器。

圖1：Microchip專注于支持綠色電機(jī)，這需要智能控制。黃色顯示的電機(jī)無需智能控制即可運(yùn)行。 （來源：Microchip）

對數(shù)字控制的需求

數(shù)字信號控制器（或稱DSC）本質(zhì)上是傳統(tǒng)微控制器架構(gòu)的擴(kuò)展，包括專門針對電機(jī)控制的外圍設(shè)備，以及最近的數(shù)字信號處理（DSP）級別。雖然微控制器（MCU）通常非常擅長控制功能，但它們相對適中的處理速度使它們不太適用于電機(jī)控制的“實時”需求，特別是在負(fù)責(zé)其他功能的情況下。這導(dǎo)致許多制造商實施雙芯片解決方案;使用MCU進(jìn)行控制功能（例如檢查安全開關(guān)，驅(qū)動用戶顯示和監(jiān)控耗材），同時DSP運(yùn)行優(yōu)化算法來控制電機(jī)。

雖然這種方法在選擇MCU和DSP時具有一定的靈活性，但它可能不是最佳的。許多低成本電機(jī) - 例如無刷直流電機(jī)，特別是在不使用傳感器時 - 要求DSP通過電機(jī)線圈監(jiān)控瞬時電流或反電動勢（電動勢），使用此信息確定定子位置并計算所需的驅(qū)動電流在隨后的階段。在實際應(yīng)用中，電機(jī)負(fù)載可能會發(fā)生顯著且快速的變化，這意味著DSP必須盡可能緊密地耦合到高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以及快速靈活的脈沖寬度調(diào)制器（PWM） ），以最大限度地提高效率。實際上，ADC和/或PWM將在MCU上，因為很少有DSP集成這些外設(shè)。這種緊密但離散的耦合不僅需要高性能MCU，還需要快速的芯片間通信。由于MCU通常是“最薄弱的環(huán)節(jié)”，因此可能會對DSP的性能產(chǎn)生人為限制，從而影響整體控制解決方案。

通過將DSP與MCU集成，可以避免這種限制，并且正是這種情況下許多MCU制造商現(xiàn)在都青睞這種情況。與一般的MCU一樣，可能的解決方案數(shù)量很多，而且隨著MCU制造商在不斷增長的市場中占據(jù)重要份額，他們將繼續(xù)加大力度來區(qū)分他們的產(chǎn)品。

核心競爭力

盡管ARM架構(gòu)越來越多地滲透到MCU市場，但它仍然高度分散。這意味著專有架構(gòu)仍有空間，具有獨(dú)特的功能，即使在新興應(yīng)用領(lǐng)域（如實時電機(jī)控制），也能確保它們保持競爭力。

更成熟的數(shù)字信號控制器（DSC）供應(yīng)商之一是Microchip的dsPIC系列。它將功能強(qiáng)大的MCU內(nèi)核與DSP功能集成在一個16位處理器中，與電機(jī)控制外設(shè)緊密耦合，在某些選項中還兼容電容式觸摸控制和圖形驅(qū)動器。 dsPIC器件提供的性能范圍為16至60 MIPS（每秒百萬條指令 - DSP性能的默認(rèn)指標(biāo)），所有這些都由Digi-Key提供。 Microchip最近還宣布推出其DSC系列的最新產(chǎn)品，將性能提升至70 MIPS。

英飛凌的另一個例子是如何調(diào)整專有架構(gòu)以實現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用的最大性能。 2011年3月，英飛凌宣布其系列實時信號控制器的最新產(chǎn)品，增加了XE16xU和XE16xL變體，分別針對低端和超低端電機(jī)控制應(yīng)用。他們加入了已有庫存并可從Digi-Key獲得的更廣泛的產(chǎn)品組合，整個系列針對電機(jī)控制應(yīng)用進(jìn)行了緊密優(yōu)化（圖2）。采用英飛凌專有的16位處理引擎和高效的MAC單元（乘法和累加 - DSP的定義功能），最新增加的目標(biāo)是迄今為止可能需要高端8位MCU的應(yīng)用或者是低端DSP，例如三相無刷直流（BLDC）電機(jī)控制器。

圖2：英飛凌的實時信號控制器系列產(chǎn)品組合（來源：英飛凌）

證明ARM架構(gòu)正在繼續(xù)推進(jìn)以前由專有架構(gòu)主導(dǎo)的應(yīng)用程序，Atmel最近宣布以SAM4系列的形式進(jìn)入基于ARM Cortex-M4的DSC領(lǐng)域。它將加入已經(jīng)從Digi-Key獲得的SAM3系列。

Atmel聲稱，SAM4系列的許多成員將使用具有浮點(diǎn)DSP擴(kuò)展的ARM Cortex-M4內(nèi)核版本，這一功能使其能夠瞄準(zhǔn)DSC市場。此舉證實了Atmel對DSC市場的承諾，該市場首次采用2010年發(fā)布的AVR UC3C MCU系列。

軟件庫

強(qiáng)大而優(yōu)化的硬件架構(gòu)只是開發(fā)電機(jī)控制應(yīng)用時的一部分。同樣重要的是軟件。優(yōu)化的DSC允許更高效和更強(qiáng)大的算法，但它們的開發(fā)絕非易事。因此，供應(yīng)商必須以軟件庫的形式進(jìn)行進(jìn)一步投資。使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)（如Cortex-M4）意味著SAM4系列可以使用ARM自己的DSP庫，Atmel表示，與SAM3系列相比，浮點(diǎn)指令的執(zhí)行速度將提高10倍。 Cortex-M3的。

雖然SAM4系列預(yù)計要到2012年才能上市，但英飛凌XE16xU和xL系列的批量生產(chǎn)現(xiàn)已開始，并將在不久的將來廣泛推出。英飛凌選擇的軟件解決方案基于其現(xiàn)有的工具鏈，該工具鏈包含一個名為開發(fā)應(yīng)用程序虛擬工程師（或DAvE）的自動代碼生成器，它是與EDA專家Altium合作開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境的一部分。 Digi-Key為Altium開發(fā)平臺提供了一系列子板（圖3）。

圖3：英飛凌XE166系列的入門套件和評估板。 （來源：英飛凌）

同樣，Microchip擁有廣泛且免費(fèi)使用的電機(jī)控制應(yīng)用軟件庫，該軟件庫提供了一系列針對其dsPIC（和PIC24）系列優(yōu)化的專業(yè)算法（圖4）。它也得到開發(fā)套件的支持，開發(fā)套件利用支持其開發(fā)平臺的子板，dsPICDEM，也可從Digi-Key獲得。

電機(jī)類型算法步進(jìn)電機(jī)全程和微步進(jìn)，位置控制開環(huán)和電流控制閉環(huán)BLDC和PMSM梯形驅(qū)動，霍爾效應(yīng)傳感器換向正弦驅(qū)動，霍爾效應(yīng)傳感器換向梯形驅(qū)動，無傳感器BEMF換向磁場定向控制，無傳感器換向ACIM開環(huán)電壓/赫茲磁場定向控制，帶軸編碼器磁場定向控制，無傳感器功率因數(shù)校正（PFC）

現(xiàn)在可用的各種MCU變體反映了它們所處理的各種應(yīng)用，但幾乎是唯一的，它是16位器件繼續(xù)主導(dǎo)市場的電機(jī)控制部分，提供性能和成本的正確組合。雖然ARM的Cortex-M4毫無疑問會產(chǎn)生波動，但毫無疑問，現(xiàn)在幾乎每一種電機(jī)控制解決方案都有優(yōu)化的解決方案，無論是步進(jìn)電機(jī)，BLDC還是同步AC。