無處不在的有刷電機(jī)于 19 世紀(jì)初推出，依靠用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的定子線圈中的電流機(jī)械換向。現(xiàn)在，軟件換向算法的創(chuàng)新和嵌入式微控制器成本的降低正在為新一代無刷直流電機(jī)、高壓交流電機(jī)和永磁同步電機(jī) （PMSM） 注入新的活力。這些電機(jī)可為一系列應(yīng)用提供顯著的功率和性能優(yōu)勢(shì)，包括冰箱和冰柜、洗衣機(jī)和烘干機(jī)、加熱和冷卻系統(tǒng) （HVAC） 以及家庭和花園電動(dòng)工具等家用電器。通過集成 32 位 ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核以及復(fù)雜的可配置模擬和電源管理，Active Semiconductor 的 Power Application Controller? （PAC） 系列集成電路以可承受的成本提供更智能的電機(jī)控制，從而推動(dòng)了這一創(chuàng)新浪潮。高度集成的解決方案不僅減少了系統(tǒng)組件數(shù)量并提高了能源效率，而且還通過自動(dòng)故障緩解系統(tǒng)提高了安全性。

電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)可以通過多種方式進(jìn)行細(xì)分。典型的細(xì)分是交流對(duì)直流（采用典型控制方法），一些示例如下表 1 所示。 流行的控制方法范圍從簡單的電壓控制到更復(fù)雜的電子換向，包括電壓頻率 （V/f）、脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 控制、120 度梯形控制或磁場(chǎng)定向控制 （FOC）。細(xì)分市場(chǎng)的其他方法是通過馬力，這通常與執(zhí)行節(jié)能考慮相關(guān)，或者通過最終應(yīng)用，這可能對(duì)系統(tǒng)考慮因素產(chǎn)生重大影響，例如傳感器或無傳感器操作、速度控制、扭矩控制和初始位置檢測(cè)。

與任何電子系統(tǒng)一樣，必須考慮確保性能、設(shè)計(jì)占用空間、成本和能源效率之間的平衡。由于全球使用的電機(jī)數(shù)量龐大，能源效率已成為傳統(tǒng)電機(jī)技術(shù)替代的最強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力之一。認(rèn)識(shí)到這種節(jié)能需求后，一些政府機(jī)構(gòu)已開始強(qiáng)制要求電動(dòng)機(jī)的節(jié)能目標(biāo)，尤其是那些高于特定額定功率的電動(dòng)機(jī)。例如，歐洲的能源使用產(chǎn)品 （EUP） 指令 （EC640/2009） 對(duì)電機(jī)的能效提出了嚴(yán)格要求，并于 2017 年強(qiáng)制執(zhí)行。此外，

更好的系統(tǒng)性能和整體系統(tǒng)尺寸也在推動(dòng)電機(jī)選擇和控制算法的使用。例如，冰箱通常以其能效為標(biāo)準(zhǔn)，而新的吊扇設(shè)計(jì)則更安靜、更高效，甚至外形更小。通過從傳統(tǒng)的交流感應(yīng)電機(jī)使用遷移到高壓 BLDC 電機(jī)，這些用戶好處是可能的。

市場(chǎng)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的有刷電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)構(gòu)成了當(dāng)今行業(yè)中使用的大部分電機(jī)。由于追求更低的功耗、更好的系統(tǒng)性能和降低成本，趨勢(shì)發(fā)生了變化。一些常見的變化包括：

? 從有刷電機(jī)遷移到無刷直流 （BLDC） 電機(jī)

? 從交流感應(yīng)電機(jī)遷移到 PMSM 和 BLDC 電機(jī)

? 從傳感器遷移到無傳感器電機(jī)控制

? 增加使用變頻驅(qū)動(dòng)算法和無傳感器 FOC

然而，這種轉(zhuǎn)變遇到了一些阻力。傳統(tǒng)電機(jī)技術(shù)的制造成本可以很好地?cái)備N。開發(fā)和部署新的電機(jī)控制技術(shù)會(huì)產(chǎn)生電機(jī)控制硬件平臺(tái)和電機(jī)控制軟件的研發(fā)成本。此外，由于附加功能導(dǎo)致物料清單 （BOM） 數(shù)量增加，設(shè)計(jì)占用空間可能不適合較小的外形尺寸。

盡管存在這些不利因素，遷移到更新的電機(jī)技術(shù)的趨勢(shì)仍然存在。對(duì)更節(jié)能和更高性能的基于電機(jī)的設(shè)備的需求正在降低開發(fā)成本。此外，PAC IC 等高度集成的解決方案有助于簡化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低開發(fā)、構(gòu)建和銷售此類設(shè)備的成本。

采用基于 CORTEX-M0 的電力應(yīng)用控制器 （PAC） 系列的電機(jī)解決方案

電源應(yīng)用控制器 （PAC） 是一個(gè) IC 系列，它集成了 ARM Cortex-M0 內(nèi)核以及復(fù)雜的模擬和電源管理外設(shè)，解決了許多設(shè)計(jì)問題，并為運(yùn)行復(fù)雜的變頻驅(qū)動(dòng)器磁場(chǎng)定向控制提供了單 IC 硬件解決方案和其他控制算法，設(shè)計(jì)占用空間小。圖 1 顯示了 PAC IC 的一般框圖。

Cortex-M0 處理器的最小配置只有 12k 個(gè)門，結(jié)合了一系列優(yōu)勢(shì)，包括超低功耗性能和低硅成本。該內(nèi)核采用 32 位可編程處理器，具有極短的中斷延遲、簡單的編程模型和內(nèi)置的故障異常處理，已在超過 10 億個(gè)現(xiàn)場(chǎng)部署設(shè)備中證明了其自身的能力。

Cortex-M0 內(nèi)核通過多模式電源管理 （MMPM）、可配置模擬前端 （CAFE）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)采樣序列器和 100 MHz PWM 引擎以及其他硬件外設(shè)進(jìn)行了增強(qiáng)。這些因素結(jié)合在一起，為 Cortex-M0 處理器提供了更好的性能。例如，MMPM 使 PAC IC 能夠管理交流輸入電源（在 AC-DC 反激配置中）或高達(dá) 72V 的直流輸入（在降壓或升壓模式下）。此外，MMPM 中包含的四個(gè)板載 LDO 提供系統(tǒng)電源軌，從而無需額外的 IC 來管理系統(tǒng)電源。

Cortex-M0 處理器包括許多內(nèi)置功能，使軟件開發(fā)人員能夠創(chuàng)建可靠的系統(tǒng)。故障檢測(cè)功能可以檢測(cè)到許多錯(cuò)誤情況，然后可以快速恢復(fù)，或提供診斷信息以幫助調(diào)試情況。強(qiáng)大的 CAFE 塊進(jìn)一步增強(qiáng)了安全功能。該模塊使可編程增益放大器 （PGA） 能夠檢測(cè)系統(tǒng)故障，該故障可能由通過電機(jī)相位的電流條件引起，并通過關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)器、中斷 Cortex-M0 處理器和啟用進(jìn)一步的軟件操作來響應(yīng)被帶走。

使 PAC 能夠?yàn)樽冾l驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行復(fù)雜 FOC 算法的關(guān)鍵特性之一是獲得專利的自動(dòng)采樣定序器塊。圖 3a 顯示了 PAC 的操作，它釋放了 Cortex-M0 處理器以專注于應(yīng)用程序代碼，而圖 3b 顯示了一個(gè)典型的 MCU，它必須監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集過程，從而占用 MCU 內(nèi)核。

電機(jī)控制系統(tǒng)解決方案

PSMS 電機(jī)通常用于牽引、機(jī)器人或航空航天設(shè)備的工業(yè)自動(dòng)化，需要更大的功率和更高的智能。在系統(tǒng)級(jí)別，這需要電機(jī)控制硬件解決方案，該解決方案占用空間小，集成度更高，BOM 數(shù)量更少，硬件性能更高，以運(yùn)行復(fù)雜的算法。PAC5250 通過集成 600V 柵極驅(qū)動(dòng)器和用于 FOC 的 ARM Cortex-M0 來簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖 4 所示，基于 PAC5250 的系統(tǒng)只需要額外的無源元件，從而顯著減少整體系統(tǒng) BOM 數(shù)量。

對(duì)于 BLDC 電機(jī)，PAC5223 能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 72V 的柵極，并且可以在有或沒有外部傳感器的情況下運(yùn)行。在 Cortex-M0 上運(yùn)行精確控制算法的能力使 BLDC 電機(jī)能夠在沒有任何傳感器的情況下運(yùn)行，從而進(jìn)一步減少了所需的外部組件的數(shù)量。

電機(jī)控制固件/軟件

在一些電機(jī)被封裝的應(yīng)用中，基于傳感器的解決方案是不切實(shí)際的，因?yàn)橥ㄟ^外殼獲得反饋線的成本很高。這就是無傳感器 FOC 系統(tǒng)通過處理控制器上已有的信號(hào)為設(shè)計(jì)人員提供信息的地方。用于估計(jì)反電磁場(chǎng) （EMF） 波形和檢測(cè)任何滑動(dòng)的軟件模型對(duì)于同步和異步系統(tǒng)變得至關(guān)重要。無論采用何種技術(shù)，生產(chǎn)穩(wěn)定軟件傳感器的過程都極具挑戰(zhàn)性。需要使用 FOC 的應(yīng)用將在 PAC52XX 電機(jī)中找到功能，它為 FOC 應(yīng)用提供成本和可編程性之間的最佳平衡。

隨著越來越多的應(yīng)用依賴于 BLDC 和 PSMS 電機(jī)，例如醫(yī)療設(shè)備、家用電器、樓宇控制、工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)，提供更多智能控制和提高效率的壓力越來越大。用于電機(jī)控制的基于微控制器的電子換向還有助于滿足政府機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者對(duì)更低功耗和更高效率的需求。高度優(yōu)化的 PAC 系列 IC 由 ARM Cortex-M0 處理器與高度復(fù)雜的、可配置的模擬和電源管理外設(shè)相結(jié)合，提供了滿足為變頻驅(qū)動(dòng)器實(shí)施復(fù)雜算法所需的處理的解決方案。此外，

關(guān)于本文及其作者：

Suribhotla Rajasekhar 是 Active-Semi International 的營銷總監(jiān)，Tim Menasveta 是 ARM 的 Cortex-M 處理器產(chǎn)品經(jīng)理。

編輯：hfy