內核硬，性能高—盤點主流步進電機主控芯片

說到電機主控芯片，市面上國內國外對應的產品都非常多，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，能實現簡單的六布控制，那普通的51單片機就能夠實現。當需求提升到工業級，又或是提升到車規級，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型閉環控制潮流的文章中，已經提到過，步進電機閉環一體化過程中，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活躍在電機控制領域。

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。

用在電機驅動上最多的還是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。但C2000中有專門針對數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）

C2000 采用專有的32位內核 (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位浮點格式高效執行控制數學運算，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系統性能在并行CPU處理下得到了極大提升。

在驅動上C2000系列凝聚了多項技術的PWM模塊支持高級計時和生成技術，以控制復雜的功率級，同時微邊沿定位技術創建精確的 PWM 波形以提高系統性能。在傳感上這個系列有高達12.5兆樣本/秒 (MSPS) 的轉換速率，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，向一體化發展的潮流中，越來越多廠商開始選擇電機專用DSP。

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）

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的異構架構，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作為德國運動伺服控制的大神級別的供應商，在步進驅動芯片領域發揮了重要作用。

先挑單軸步進驅動芯片TMC2208-LA來看一下。

（圖源：TRINAMIC官網）

可以說這是最容易使用的軸步進驅動芯片。它的特點在于靜音驅動，帶有StealthChop靜音驅動，SpreadCycle平滑運行，MicroPlyer微步插補等功能，實現步進電機實現步進電機的超靜音和抑共振。

TMC2226則是雙軸雙極步進電機驅控一體芯片。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，在運控領域，旗下運控芯片可以說是行業風向標。

主流步進電機芯片可以說是各有千秋，并都占有一定市場。同時國內也有不少優秀的廠商涌入這條賽道。從市場格局上來看，主流廠商仍然占據著相當大的先發優勢。