無刷電機獲得青睞

無刷直流 (BLDC) 電機已成為各種電池供電和線路供電設(shè)備與電器的默認電機選擇。與有刷直流電機相比，無刷直流電機更可靠，需要更少的維護，而且應用行業(yè)也廣泛了解如何使用簡單的微控制器算法進行控制。在當今復雜先進的控制應用中，有刷電機產(chǎn)生的電氣噪聲也太多，這意味著設(shè)計人員需要采用大量電磁抗干擾技術(shù)。現(xiàn)在有刷電機產(chǎn)生的可聽噪聲也屬于不利因素，特別是便攜式電池供電電器，如真空吸塵器和個人電動工具，包括線鋸和電鉆/電動螺絲刀等。

制造商利用轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸上的固定永磁體和電機殼內(nèi)部的一系列勵磁繞組(通常是三個)來制造無刷直流電機。依次通過三個勵磁繞組切換電流，使驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動。控制脈沖寬度和每個勵磁線圈驅(qū)動器的開關(guān)頻率，可以控制電機速度、加速度和輸出扭矩。需要將轉(zhuǎn)子的運行狀態(tài)閉環(huán)反饋給三相電機控制算法，以嚴密監(jiān)視和控制驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的當前狀態(tài)。提供這種反饋的兩個最常用方法是：

將編碼盤或其他形式的旋轉(zhuǎn)傳感器附加到轉(zhuǎn)子軸上。

感應轉(zhuǎn)子永磁體在勵磁繞組內(nèi)引起的反向電磁場。磁場定向控制 (FOC) 是指使用感應磁場電壓。

無傳感器方法有助于提高整體電機可靠性以及降低物料清單 (BOM) 成本。

BLDC電機控制器的架構(gòu)

如上一節(jié)所述，無刷電機控制器需要三個不同的電路功能。這三個不同的電路功能通過以下組件實現(xiàn)：

運行電機控制算法的微控制器

提供開關(guān)信號的脈寬調(diào)制 (PWM) 電路

驅(qū)動電機的功率輸出級

模數(shù)功能將軸旋轉(zhuǎn)傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字域，由微控制器進行處理。在設(shè)計嵌入式電機控制器時，有幾個設(shè)計考慮因素。有助于形成嵌入式電機控制器整體設(shè)計的初始因素：

所需的功率/扭矩

電源

軸速度

當今注重從原型快速實現(xiàn)生產(chǎn)的趨勢，使得設(shè)計工程師開發(fā)自定義控制器時不會去采用分立部件。因此，較常用的設(shè)計方法是使用現(xiàn)成的微控制器來運行控制算法。大多數(shù)微控制器除了不同的外設(shè)接口選項、時鐘和定時器外，還包含各種 ADC/DAC 轉(zhuǎn)換功能。一個配備適當?shù)奈⒖刂破骺赡芴峁┐蟛糠炙桦娐饭δ?，但許多微控制器往往不會針對電機控制應用進行優(yōu)化或包含必要的半/全“H”橋電機驅(qū)動功能。此外，能源管理也是當今大多數(shù)應用的一個必要功能，在電機控制應用中尤其重要，對于此類應用，能效評級通常是客戶的關(guān)鍵選擇標準。還有電源管理 IC，但這需要工程團隊將其他 IC 集成到設(shè)計中，從而會提高 BOM 成本和電路板空間要求。

隨著越來越多基于消費類和工業(yè)電機的電器采用無刷直流電機設(shè)計，需要一種包含所有必要功能的設(shè)備，為此 Qorvo 開發(fā)出全功能電源應用控制器 (PACTM)。Qorvo 的 PAC5556 電源應用控制器? (PACTM) 在單個緊湊型封裝內(nèi)集成了所有必需的模擬、電源管理和柵極驅(qū)動信號源。

Qorvo PAC5556 簡介

Qorvo PAC5556 電源應用控制器? (PACTM) 采用纖薄的 QFN-52 封裝，支持高達 600VDC的電機工作，并集成了一系列所有 BLDC 或智能能源應用所需的各種功能和特性(圖 1)。高度集成的 PAC 架構(gòu)使 Qorvo PAC5556 特別適合 PCB 尺寸不斷縮小的應用，如白色家電、壓縮機和電動工具。

圖 1：圖中顯示 Qorvo PAC5556 電源應用控制器的簡化功能框圖。(數(shù)據(jù)來源：Qorvo)

該設(shè)備的核心是具有 128kB 用戶可編程閃存的 150MHz 32 位 Arm? Cortex?-M4F 微控制器內(nèi)核。嵌套矢量中斷控制器 (NVIC) 能夠容納多達 25 個外部中斷，可提供喚醒功能，使設(shè)備能夠從不同的睡眠模式中恢復工作。24 位實時時鐘的時鐘門控允許低功耗運行。微控制器單元 (MCU) 也集成了高速 12 位 ADC。PAC5556 的 Arm? Cortex?-M4F 微控制器內(nèi)核針對小端字節(jié)序操作而配置，包括乘法和除法的硬件支持、DSP 指令和 IEEE754 單精度浮點單元 (FPU)。集成的 FPU 支持復雜的高分辨率控制算法，如用于 FOC 的算法。此 MCU 的高性能特性使設(shè)計工程師能夠在應用中輕松實現(xiàn)復雜的實時算法、安全軟件和診斷。

脈寬調(diào)制 (PWM) 引擎為電機柵極驅(qū)動器提供驅(qū)動信號。PWM 引擎包括四個 16 位定時器和 14 個通道，具有低至 10ns 的精密電機控制功能。

PAC5556 的模擬前端高度可配置，并提供差分和單端可編程增益放大器、10 個比較器、10 位 DAC、可編程過電流保護、集成 VM ADC 采樣，以及用于可互連和可編程信號采樣、反饋放大和多個模擬輸入信號的傳感器監(jiān)控的 I/O。這些模擬功能使該設(shè)備適用于磁場定向控制或基于傳感器的 BLDC 控制應用。

Qorvo PAC5556 還包括一個可配置電源管理器和特定應用功率驅(qū)動器?？膳渲秒娫垂芾砥靼粋€允許 IC 和電機驅(qū)動器電路使用降壓轉(zhuǎn)換器拓撲供電的多模式開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器。片上線性穩(wěn)壓器提供 IC 供電軌，電源管理功能控制可用的睡眠和休眠模式。設(shè)計人員可優(yōu)化電源管理器的運行時和待機模式。PAC 的待機電流很小，因此電池供電工具在不使用時，電池使用壽命很長。在始終連接至交流電的設(shè)備(如白色家電)中，電源管理器可以幫助達到能源之星評級要求。功率驅(qū)動器塊提供了所有必要的高端和低端柵極驅(qū)動器，適用于各種不同的電機驅(qū)動配置，包括半橋和全“H”橋。

用于驅(qū)動 BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 簡化電路圖如圖 2 所示。

圖 2：用于控制 BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 簡化電路圖。(數(shù)據(jù)來源：Qorvo)

為幫助進行原型制作和開發(fā)工作，提供了基于 Qorvo PAC5556 的評估板。Qorvo PAC5556EVK1 是用于 PAC5556 的完整全功能評估和原型制作平臺(圖 3)。該評估板支持多達三個額定值達 220VAC 或 450VDC 的半 H 橋逆變器的柵極驅(qū)動。通過與計算機的虛擬 COM 端口連接以及基于 GUI 的軟件套件，可配置和控制在 PAC5556EVK1 上運行的所有應用。

圖 3：Qorvo PAC5556EVK1 評估板。(數(shù)據(jù)來源：Qorvo)

結(jié)論

眾多消費類和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無刷直流電機。隨著無刷電機的應用范圍更加廣泛，快速設(shè)計、原型制作和測試電機控制器的能力成為加快整個產(chǎn)品設(shè)計過程的關(guān)鍵。因此，設(shè)計工程師需要一種在單個封裝內(nèi)集成所有必需的模擬、電源管理和柵極驅(qū)動信號源的設(shè)備。高度集成的 Qorvo PAC5556 電源應用控制器能夠滿足緊湊型功率控制解決方案的需求，可減少消費類和工業(yè)電機應用的能耗、尺寸和噪聲。該設(shè)計也滿足更嚴格的電路板空間要求，并保持最低的 BOM 成本。

審核編輯：湯梓紅