BLDC应用兴起，MCU厂家如何应对技术挑战？

所谓的变频调速就是通过改变定子电源的频率来改变电机的转速，从而实现节能和提高效率的目的。要实现变频调速就需要变频器的帮助，现在的变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路，以及控制器（MCU/DSP）等部分组成。

 图3 冰箱压缩机变频控制板正面

笔者近期拿到了一块由深圳华芯控股科技设计的冰箱压缩机变频控制板，其中变频板的主控MCU正是采用了GD32F130产品，并已经被应用于国内外多家主流品牌冰箱产品中。GD32 MCU在家电变频行业的广泛应用也可见一斑。

近年来，紧接着视频直播越来越火，智能手机的拍照功能越来越强，Vlog制作、抖音神器等智能硬件已成为当下火爆的“刚需”。为了提升拍摄时的稳定性，手持云台正在走进日常生活并成为常见的摄影辅助工具。

目前从事手持云台产品开发的公司也有不少，一线品牌有大疆创新（DJI）的OSMO灵眸，以及线上热销的智云Smooth、飞宇G6等多家厂商。

云台产品至少要有三个BLDC电机，来控制XYZ三个方向上的运动，其次还有一个固定相机的装置，这个装置里面会有运动传感器来感测相机的位置变化。

云台产品的技术难点在于如何控制BLDC电机的运动。首先，电机需要用PMSM FOC算法来实现精准顺滑的伺服控制；其次，要保证相机的稳定性和各种跟随操作，必须将相机固定装置内传感器采集到的信号，实时地进行三维姿态解算和姿态控制。也就是说，做一个手持云台产品并不容易。

早期的国内云台产品基本都是采用俄罗斯人Aleksey Moskalenko的开源云台控制系统算法开发的。经过行业的不断发展和创新，现在中国也有很多厂商具备了研发能力，前面提到的三个主流品牌基本都是采用自有技术。目前IC国产化的趋势正日益明显，行业内的公司都开始着手准备国产化的替代方案。最常见的国产替代方案，就是采用GD32F4系列Cortex-M4 MCU产品去升级或重新开发早期的云台控制方案。

并且早期的云台控制原型是用一颗MCU控制一个BLDC电机的转动，通过中国工程师不断创新，已经实现了用一颗高性能的Cortex-M4F内核MCU同时控制两个轴向的BLDC电机。不仅可以简化云台产品的PCB设计，方便整机ID设计，也可以很好地控制产品的成本，从而更有利于大众化普及。

在逐渐兴起的BLDC电机控制应用中，磁场定向控制（FOC）技术正变得越来越流行，这样能够确保电机在任何时候都能以最佳的扭矩，高效地运行；其出色的动态相应可以实现精准的可变速度控制；再加上FOC的低扭矩波动可让电机在运行、启动和停止时，保持平稳运转。

FOC控制虽好，但要实现这些优势就需要MCU或者DSP有足够的计算能力来处理这些复杂的三角方程，以及电机转自状态观测。早年如果要实现高性能的电机控制算法，需要使用TI 的C2000系列DSP。近年来Arm公司推出Cortex-M4内核，集成了完整的DSP指令集、并行计算能力和专用单精度浮点运算单元（FPU），就可以有效满足FOC算法和电机转子位置的观测算法对MCU计算能力的需求，拉近了MCU和DSP在运算能力上的差异。包括STMicroelectronics、NXP、GigaDevice、ATMEL等MCU厂商也纷纷推出相应的MCU产品。

图4 高性能电机控制系统框图

为了帮助客户使用MCU芯片评估FOC算法和电机状态观测器算法，GigaDevice（兆易创新）推出了GD32F450Z-BLDC评估板并提供了相应的开发工具包(SDK)，GD32F450系列MCU具备了200MHz的Cortex-M4F内核和2.6M采样率高性能ADC等丰富的模拟外设，电机开发工程师就可以使用开发套件进行各类电机控制算法的研究。

图5 GD32F450Z-BLDC评估板

紧接着半导体技术的进步，BLDC电机开始兴起，并逐渐替代传统电机，特别是在工业控制、家用电器、消费类电子、机器人、物流自动导航车、汽车、无人机等应用领域。BLDC电机的兴起，对MCU的需求量将会持续增长，2018年全球MCU的出货量306亿颗，未来几年还将会保持高速增长。

从城市电摩骑行和即时配送的产业化升级、到消费家电产品的不断智能化创新，再到BLDC控制的变频化发展，一方面需要中国嵌入式工程师勇于创新，敢于突破现有的行业成规；另一方面芯片供应厂商也要持续不断提供性能和价格更好，同时方便开发者使用的新产品。这也给中国的MCU芯片厂家提供了广泛的市场机会和更大的发展动能。