許多應(yīng)用中都能看到功率低于300W的小型馬達(dá)，包括汽車、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、進(jìn)紙機(jī)、工廠自動(dòng)化、航天和軍事載具、測(cè)試設(shè)備和機(jī)械人。馬達(dá)生產(chǎn)數(shù)量約與其功率成反比，因此小型馬達(dá)的生產(chǎn)數(shù)量遠(yuǎn)高于大型馬達(dá)。最受歡迎的小型馬達(dá)為直流馬達(dá)、無刷直流馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)。 


    馬達(dá)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 主要支持大型離線馬達(dá) (off-line motor)，其成本對(duì)于小型馬達(dá)控制系統(tǒng)通常太高，這使得小型通用微控制器在多數(shù)情形下已成為小型馬達(dá)控制應(yīng)用的最低成本解決方案。


    定時(shí)器選擇 


    簡(jiǎn)單的步進(jìn)馬達(dá)可能只需要一個(gè)通用定時(shí)器，直流馬達(dá)和無刷直流馬達(dá)則需要脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 定時(shí)器控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。分辨率和頻率是PWM定時(shí)器的重要特色，其頻率應(yīng)大于馬達(dá)線圈的時(shí)間常數(shù)，并且超出人耳聽覺范圍；但頻率也不能太高，才能將開關(guān)損耗減至極小。16至24 kHz之間的PWM頻率最適合小型馬達(dá)。 


    8位的PWM分辨率對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)足夠 - 若應(yīng)用只需幾種轉(zhuǎn)速，8位分辨率就能滿足要求。對(duì)于轉(zhuǎn)速范圍小于10比1的閉回路控制，8位分辨率也能應(yīng)付自如。若應(yīng)用要求更大轉(zhuǎn)速范圍的閉回路控制或超過1%的精確調(diào)速能力，就必須使用更高的分辨率。20 kHz的10位PWM分辨率需要20 MHz以上的高速系統(tǒng)時(shí)鐘。 


    Silicon Laboratories公司的C8051F300微控制器產(chǎn)品系列的可編程計(jì)數(shù)器陣列提供8位PWM模式，它以24.5 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率工作時(shí)可將8位PWM頻率設(shè)成8、24或96 kHz；利用T0溢出 (overflow) 作為PCA時(shí)鐘源則可得到16.0或19.1 kHz的8位PWM頻率。若應(yīng)用需要更高分辨率，這顆PCA還能進(jìn)入高速輸出模式并產(chǎn)生20 kHz的10位PWM訊號(hào)。 


    不同的小型馬達(dá)應(yīng)用需要不同的PWM信道數(shù)目。單向轉(zhuǎn)動(dòng)的簡(jiǎn)單直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器只需要一個(gè)PWM，具備反轉(zhuǎn)能力的直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器則需兩組PWM信道或一組PWM搭配雙輸出復(fù)用器。無刷直流馬達(dá)需要三組PWM信道或單信道PWM搭配三輸出復(fù)用器。C8051F300微控制器系列采用一種優(yōu)先交叉配置架構(gòu)，它會(huì)以復(fù)用器方式提供一個(gè)PWM給多路輸出，使應(yīng)用所需的PWM信道減至最少，軟件設(shè)計(jì)也大幅簡(jiǎn)化。 


    模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和支持 


    大多數(shù)的小型馬達(dá)控制應(yīng)用都需要模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它可內(nèi)建于芯片或使用外部零件；除了測(cè)量馬達(dá)電壓、直流鏈電壓，馬達(dá)電流、轉(zhuǎn)速計(jì)電壓和轉(zhuǎn)速控制電位計(jì)之外，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器還能用來測(cè)量系統(tǒng)控制變量，例如溫度、氣流和位置。馬達(dá)控制系統(tǒng)所重視的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器參數(shù)包括分辨率、取樣速率、信道數(shù)目、電壓參考和差動(dòng)測(cè)量能力，這類應(yīng)用所需的分辨率是由反饋和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍決定，一顆8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器已能滿足轉(zhuǎn)速控制電位計(jì)和直流鏈電壓的測(cè)量需求，馬達(dá)電壓、馬達(dá)電流和轉(zhuǎn)速計(jì)電壓可能需要很大的動(dòng)態(tài)范圍。若應(yīng)用要求100到1轉(zhuǎn)速范圍的調(diào)速能力，系統(tǒng)就必須在只能使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器一小部份工作范圍的情形下保持穩(wěn)定，例如8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以1%滿刻度測(cè)反饋參數(shù)時(shí)只能提供2.5次讀數(shù)，10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器則提供20次有用讀數(shù)。 

馬達(dá)電流的測(cè)量尤其容易發(fā)生問題，它通常會(huì)以阻抗很小的感測(cè)電阻搭配外接的運(yùn)算放大器，然后利用差動(dòng)測(cè)量取得精確的測(cè)量結(jié)果，但這類電路極易受到噪聲影響。高取樣速率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和高速處理核心可用來執(zhí)行超取樣和均值計(jì)算，這種方式在出現(xiàn)馬達(dá)噪聲時(shí)仍能精確測(cè)量馬達(dá)電流。 


    電源供應(yīng)噪聲是馬達(dá)控制電路的常見問題，片內(nèi)電壓參考對(duì)于溫度和電流等參數(shù)的絕對(duì)測(cè)量非常有用，還能協(xié)助模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供勝過使用VDD電源的更高精確度和更低噪聲。在某些極為重視成本的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員還能以低參考電壓搭配芯片內(nèi)的可編程增益放大器，省下原本需要的外接電流感測(cè)運(yùn)算放大器。 


    對(duì)于需要由硬件提供過電流或過熱保護(hù)的馬達(dá)控制應(yīng)用，片內(nèi)比較器也極有幫助，它能用來產(chǎn)生中斷或捕捉定時(shí)器事件，對(duì)于測(cè)量無刷直流馬達(dá)應(yīng)用的馬達(dá)電壓或反電動(dòng)勢(shì)零值交叉也有很大幫助，這需要三組比較器或是一組比較器搭配三輸入復(fù)用器。 


    系統(tǒng)內(nèi)通信 


    小型馬達(dá)通常是較大型系統(tǒng)的一部份，故需通信外圍讓負(fù)責(zé)馬達(dá)控制的微控制器發(fā)出或接收控制及命令。小型馬達(dá)可能采用類似于個(gè)人計(jì)算機(jī)風(fēng)扇或電路板系統(tǒng)的SMBus或I2C接口，復(fù)雜系統(tǒng)也可能以SPI總線作為兩顆或多顆微控制器間的通信管道。SPI總線還能用于SPI外圍裝置，例如串行式EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘或外接的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。小型馬達(dá)控制系統(tǒng)也會(huì)使用以UART為基礎(chǔ)的協(xié)議，例如RS232、RS485和LIN總線。 


    受到引腳數(shù)目限制，有些微控制器只提供UART或SPI之一，其它產(chǎn)品則必須在SPI以及SMBus或是I2C之間做出選擇。雖然有可能以軟件仿真這些外圍之一，但在復(fù)用器馬達(dá)控制系統(tǒng)中仿真外圍通常并不切實(shí)際。C8051F300微控制器系列采用優(yōu)先交叉配置架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可利用它選擇終端應(yīng)用所需的通信外圍。 


    I/O引腳數(shù)決定體積 


    I/O引腳數(shù)目對(duì)于封裝體積和微控制器的選擇影響很大。引腳總數(shù)是由馬達(dá)類型、PWM輸出，模擬輸入、通用I/O引腳和通信外圍決定。小型直流馬達(dá)系統(tǒng)可能只需11只或更少的接腳，無刷直流馬達(dá)系統(tǒng)通常則要20或28只接腳。典型的8引腳SOIC微控制器僅提供6只I/O接腳，小型微引線架封裝(MFP)則能在更小面積中提供更多接腳。C8051F300封裝體積僅是SO8的四分之一，卻可在3×3厘米面積內(nèi)提供8只I/O接腳。設(shè)計(jì)人員為馬達(dá)控制應(yīng)用選擇小型微控制器時(shí)，必須將許多重要的微控制器特性列入考慮，例如PWM定時(shí)器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器支持、芯片內(nèi)建電壓參考、芯片內(nèi)建比較器、通訊外圍、I/O接腳以及彈性的模擬和數(shù)字多任務(wù)能力，這樣才能讓他們的馬達(dá)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)發(fā)揮最大效能。