無刷電機(jī)獲得青睞

無刷直流 (BLDC) 電機(jī)已成為各種電池供電和線路供電設(shè)備與電器的默認(rèn)電機(jī)選擇。與有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)更可靠，需要更少的維護(hù)，而且應(yīng)用行業(yè)也廣泛了解如何使用簡單的微控制器算法進(jìn)行控制。在當(dāng)今復(fù)雜先進(jìn)的控制應(yīng)用中，有刷電機(jī)產(chǎn)生的電氣噪聲也太多，這意味著設(shè)計(jì)人員需要采用大量電磁抗干擾技術(shù)?，F(xiàn)在有刷電機(jī)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(gè)人電動(dòng)工具，包括線鋸和電鉆/電動(dòng)螺絲刀等。

制造商利用轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)軸上的固定永磁體和電機(jī)殼內(nèi)部的一系列勵(lì)磁繞組(通常是三個(gè))來制造無刷直流電機(jī)。依次通過三個(gè)勵(lì)磁繞組切換電流，使驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。控制脈沖寬度和每個(gè)勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率，可以控制電機(jī)速度、加速度和輸出扭矩。需要將轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)閉環(huán)反饋給三相電機(jī)控制算法，以嚴(yán)密監(jiān)視和控制驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的當(dāng)前狀態(tài)。提供這種反饋的兩個(gè)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(yīng)轉(zhuǎn)子永磁體在勵(lì)磁繞組內(nèi)引起的反向電磁場(chǎng)。磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 是指使用感應(yīng)磁場(chǎng)電壓。

無傳感器方法有助于提高整體電機(jī)可靠性以及降低物料清單 (BOM) 成本。

BLDC電機(jī)控制器的架構(gòu)

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

運(yùn)行電機(jī)控制算法的微控制器

提供開關(guān)信號(hào)的脈寬調(diào)制 (PWM) 電路

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率輸出級(jí)

模數(shù)功能將軸旋轉(zhuǎn)傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字域，由微控制器進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)嵌入式電機(jī)控制器時(shí)，有幾個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素。有助于形成嵌入式電機(jī)控制器整體設(shè)計(jì)的初始因素：

所需的功率/扭矩

電源

軸速度

當(dāng)今注重從原型快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的趨勢(shì)，使得設(shè)計(jì)工程師開發(fā)自定義控制器時(shí)不會(huì)去采用分立部件。因此，較常用的設(shè)計(jì)方法是使用現(xiàn)成的微控制器來運(yùn)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(xiàng)、時(shí)鐘和定時(shí)器外，還包含各種 ADC/DAC 轉(zhuǎn)換功能。一個(gè)配備適當(dāng)?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(huì)針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化或包含必要的半/全“H”橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。此外，能源管理也是當(dāng)今大多數(shù)應(yīng)用的一個(gè)必要功能，在電機(jī)控制應(yīng)用中尤其重要，對(duì)于此類應(yīng)用，能效評(píng)級(jí)通常是客戶的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)。還有電源管理 IC，但這需要工程團(tuán)隊(duì)將其他 IC 集成到設(shè)計(jì)中，從而會(huì)提高 BOM 成本和電路板空間要求。

隨著越來越多基于消費(fèi)類和工業(yè)電機(jī)的電器采用無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)，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(yīng)用控制器 (PACTM)。Qorvo 的 PAC5556 電源應(yīng)用控制器? (PACTM) 在單個(gè)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(dòng)信號(hào)源。

Qorvo PAC5556 簡介

Qorvo PAC5556 電源應(yīng)用控制器? (PACTM) 采用纖薄的 QFN-52 封裝，支持高達(dá) 600VDC的電機(jī)工作，并集成了一系列所有 BLDC 或智能能源應(yīng)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(yīng)用，如白色家電、壓縮機(jī)和電動(dòng)工具。

圖 1：圖中顯示 Qorvo PAC5556 電源應(yīng)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(dá) 25 個(gè)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(fù)工作。24 位實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)鐘門控允許低功耗運(yùn)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(duì)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(diǎn)單元 (FPU)。集成的 FPU 支持復(fù)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(jì)工程師能夠在應(yīng)用中輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時(shí)算法、安全軟件和診斷。

脈寬調(diào)制 (PWM) 引擎為電機(jī)柵極驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。PWM 引擎包括四個(gè) 16 位定時(shí)器和 14 個(gè)通道，具有低至 10ns 的精密電機(jī)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(gè)比較器、10 位 DAC、可編程過電流保護(hù)、集成 VM ADC 采樣，以及用于可互連和可編程信號(hào)采樣、反饋放大和多個(gè)模擬輸入信號(hào)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(chǎng)定向控制或基于傳感器的 BLDC 控制應(yīng)用。

Qorvo PAC5556 還包括一個(gè)可配置電源管理器和特定應(yīng)用功率驅(qū)動(dòng)器?？膳渲秒娫垂芾砥靼粋€(gè)允許 IC 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路使用降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涔╇姷亩嗄Ｊ?a target="_blank">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(jì)人員可優(yōu)化電源管理器的運(yùn)行時(shí)和待機(jī)模式。PAC 的待機(jī)電流很小，因此電池供電工具在不使用時(shí)，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(dá)到能源之星評(píng)級(jí)要求。功率驅(qū)動(dòng)器塊提供了所有必要的高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)器，適用于各種不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置，包括半橋和全“H”橋。

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

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

為幫助進(jìn)行原型制作和開發(fā)工作，提供了基于 Qorvo PAC5556 的評(píng)估板。Qorvo PAC5556EVK1 是用于 PAC5556 的完整全功能評(píng)估和原型制作平臺(tái)(圖 3)。該評(píng)估板支持多達(dá)三個(gè)額定值達(dá) 220VAC 或 450VDC 的半 H 橋逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)。通過與計(jì)算機(jī)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(yùn)行的所有應(yīng)用。

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

結(jié)論

眾多消費(fèi)類和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無刷直流電機(jī)。隨著無刷電機(jī)的應(yīng)用范圍更加廣泛，快速設(shè)計(jì)、原型制作和測(cè)試電機(jī)控制器的能力成為加快整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)工程師需要一種在單個(gè)封裝內(nèi)集成所有必需的模擬、電源管理和柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的設(shè)備。高度集成的 Qorvo PAC5556 電源應(yīng)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(fèi)類和工業(yè)電機(jī)應(yīng)用的能耗、尺寸和噪聲。該設(shè)計(jì)也滿足更嚴(yán)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