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，有刷電機產生的電氣噪聲也太多，這意味著設計人員需要采用大量電磁抗干擾技術。現(xiàn)在有刷電機產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。

制造商利用轉子驅動軸上的固定永磁體和電機殼內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，使驅動軸轉動。控制脈沖寬度和每個勵磁線圈驅動器的開關頻率，可以控制電機速度、加速度和輸出扭矩。需要將轉子的運行狀態(tài)閉環(huán)反饋給三相電機控制算法，以嚴密監(jiān)視和控制驅動軸轉動的當前狀態(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傳感器附加到轉子軸上。

感應轉子永磁體在勵磁繞組內引起的反向電磁場。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

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

提供開關信號的脈寬調制 (PWM) 電路

驅動電機的功率輸出級

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

所需的功率/扭矩

電源

軸速度

當今注重從原型快速實現(xiàn)生產的趨勢，使得設計工程師開發(fā)自定義控制器時不會去采用分立部件。因此，較常用的設計方法是使用現(xiàn)成的微控制器來運行控制算法。大多數微控制器除了不同的外設接口選項、時鐘和定時器外，還包含各種 ADC/DAC 轉換功能。一個配備適當的微控制器可能提供大部分所需電路功能，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”橋電機驅動功能。此外，能源管理也是當今大多數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計，需要一種包含所有必要功能的設備，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集成了所有必需的模擬、電源管理和柵極驅動信號源。

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。(數據來源：Qorvo)

該設備的核心是具有 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。

脈寬調制 (PWM) 引擎為電機柵極驅動器提供驅動信號。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動器。可配置電源管理器包含一個允許 IC 和電機驅動器電路使用降壓轉換器拓撲供電的多模式開關電源轉換器。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。功率驅動器塊提供了所有必要的高端和低端柵極驅動器，適用于各種不同的電機驅動配置，包括半橋和全“H”橋。

用于驅動 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。(數據來源：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。(數據來源：Qorvo)

結論

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，快速設計、原型制作和測試電機控制器的能力成為加快整個產品設計過程的關鍵。因此，設計工程師需要一種在單個封裝內集成所有必需的模擬、電源管理和柵極驅動信號源的設備。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