許多應用中都能看到功率低于300W的小型馬達，包括汽車、打印機、復印機、進紙機、工廠自動化、航天和軍事載具、測試設備和機械人。馬達生產(chǎn)數(shù)量約與其功率成反比，因此小型馬達的生產(chǎn)數(shù)量遠高于大型馬達。最受歡迎的小型馬達為直流馬達、無刷直流馬達和步進馬達。 


    馬達控制專用數(shù)字信號處理器 (DSP) 主要支持大型離線馬達 (off-line motor)，其成本對于小型馬達控制系統(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控制應用的最低成本解決方案。


    定時器選擇 


    簡單的步進馬達可能只需要一個通用定時器，直流馬達和無刷直流馬達則需要脈沖寬度調制 (PWM) 定時器控制馬達轉速。分辨率和頻率是PWM定時器的重要特色，其頻率應大于馬達線圈的時間常數(shù)，并且超出人耳聽覺范圍；但頻率也不能太高，才能將開關損耗減至極小。16至24 kHz之間的PWM頻率最適合小型馬達。 


    8位的PWM分辨率對于大多數(shù)應用已經(jīng)足夠 - 若應用只需幾種轉速，8位分辨率就能滿足要求。對于轉速范圍小于10比1的閉回路控制，8位分辨率也能應付自如。若應用要求更大轉速范圍的閉回路控制或超過1%的精確調速能力，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)時鐘。 


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


    不同的小型馬達應用需要不同的PWM信道數(shù)目。單向轉動的簡單直流馬達驅動器只需要一個PWM，具備反轉能力的直流馬達驅動器則需兩組PWM信道或一組PWM搭配雙輸出復用器。無刷直流馬達需要三組PWM信道或單信道PWM搭配三輸出復用器。C8051F300微控制器系列采用一種優(yōu)先交叉配置架構，它會以復用器方式提供一個PWM給多路輸出，使應用所需的PWM信道減至最少，軟件設計也大幅簡化。 


    模擬數(shù)字轉換器和支持 


    大多數(shù)的小型馬達控制應用都需要模擬數(shù)字轉換器，它可內建于芯片或使用外部零件；除了測量馬達電壓、直流鏈電壓，馬達電流、轉速計電壓和轉速控制電位計之外，模擬數(shù)字轉換器還能用來測量系統(tǒng)控制變量，例如溫度、氣流和位置。馬達控制系統(tǒng)所重視的模擬數(shù)字轉換器參數(shù)包括分辨率、取樣速率、信道數(shù)目、電壓參考和差動測量能力，這類應用所需的分辨率是由反饋和控制系統(tǒng)的動態(tài)范圍決定，一顆8位模擬數(shù)字轉換器已能滿足轉速控制電位計和直流鏈電壓的測量需求，馬達電壓、馬達電流和轉速計電壓可能需要很大的動態(tài)范圍。若應用要求100到1轉速范圍的調速能力，系統(tǒng)就必須在只能使用模擬數(shù)字轉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)字轉換器以1%滿刻度測反饋參數(shù)時只能提供2.5次讀數(shù)，10位模擬數(shù)字轉換器則提供20次有用讀數(shù)。 

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


    電源供應噪聲是馬達控制電路的常見問題，片內電壓參考對于溫度和電流等參數(shù)的絕對測量非常有用，還能協(xié)助模擬數(shù)字轉換器提供勝過使用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用中，設計人員還能以低參考電壓搭配芯片內的可編程增益放大器，省下原本需要的外接電流感測運算放大器。 


    對于需要由硬件提供過電流或過熱保護的馬達控制應用，片內比較器也極有幫助，它能用來產(chǎn)生中斷或捕捉定時器事件，對于測量無刷直流馬達應用的馬達電壓或反電動勢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用器。 


    系統(tǒng)內通信 


    小型馬達通常是較大型系統(tǒng)的一部份，故需通信外圍讓負責馬達控制的微控制器發(fā)出或接收控制及命令。小型馬達可能采用類似于個人計算機風扇或電路板系統(tǒng)的SMBus或I2C接口，復雜系統(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、實時時鐘或外接的模擬數(shù)字轉換器。小型馬達控制系統(tǒng)也會使用以UART為基礎的協(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，但在復用器馬達控制系統(tǒng)中仿真外圍通常并不切實際。C8051F300微控制器系列采用優(yōu)先交叉配置架構，設計人員可利用它選擇終端應用所需的通信外圍。 


    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。小型直流馬達系統(tǒng)可能只需11只或更少的接腳，無刷直流馬達系統(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厘米面積內提供8只I/O接腳。設計人員為馬達控制應用選擇小型微控制器時，必須將許多重要的微控制器特性列入考慮，例如PWM定時器、模擬數(shù)字轉換器支持、芯片內建電壓參考、芯片內建比較器、通訊外圍、I/O接腳以及彈性的模擬和數(shù)字多任務能力，這樣才能讓他們的馬達控制應用設計發(fā)揮最大效能。