無刷電機獲得牽引力

無刷直流 (BLDC) 電機已成為各種電池和線路供電設備和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且需要的維護更少，還受益于行業對如何使用簡單的微控制器算法控制它們的更廣泛理解。在當今復雜精密的控制應用中，有刷電機還會產生過多的電噪聲，這意味著設計人員需要采用大量的電磁抗擾度緩解技術。有刷電機發出的噪音現在也被認為是不受歡迎的，特別是對于便攜式電池供電的設備，例如真空吸塵器和個人電動工具，包括線鋸和鉆頭/起子。

制造商使用轉子驅動軸上的固定永磁體和電機外殼內部的一系列勵磁繞組（通常為三個）構造無刷直流電機。依次切換通過三個勵磁繞組的電流會導致驅動軸旋轉。控制驅動器到每個勵磁線圈的脈沖寬度和開關頻率可以控制電機速度、加速度和輸出扭矩。需要轉子運行對三相電機控制算法的閉環反饋，以密切監測和控制驅動軸旋轉的當前狀態。提供此反饋的兩種最流行的方法是：

將編碼器盤或其他形式的旋轉傳感器固定到轉子軸上。

感測勵磁繞組內轉子永磁體感應的反向電磁場。磁場定向控制（FOC）是指使用感應場電壓。

無傳感器方法有助于提高電機的整體可靠性并降低物料清單 (BOM) 成本。

BLDC 電機控制器的架構

如上一節所述，無刷電機控制器需要三種不同的電路功能。這三種不同的電路功能是通過以下方式實現的：

運行電機控制算法的微控制器

提供開關信號的脈沖寬度調制 (PWM) 電路

驅動電機的功率輸出級

模數轉換功能將軸旋轉傳感器信號轉換為數字域，供微控制器處理。在設計嵌入式電機控制器時，有幾個設計考慮因素。有助于塑造嵌入式電機控制器整體設計的初始因素是：

所需的功率/扭矩

供電電源

軸速

當今快節奏的原型到生產重點往往會阻止設計工程師使用分立部件開發定制控制器。因此，更流行的設計路線是使用現成的微控制器來運行控制算法。除了不同的外設接口選項、時鐘和定時器之外，大多數微控制器還集成了范圍廣泛的 ADC/DAC 轉換功能。配備適當的微控制器可能會提供大部分所需的電路功能，但許多微控制器往往沒有針對電機控制應用進行優化，也沒有集成必要的半/全“H”橋電機驅動功能。還，能源管理是當今大多數應用的必要功能，在電機控制應用中尤為重要，在這些應用中，能效等級通常是客戶的關鍵選擇標準。電源管理 IC 可用，但這需要工程團隊將另一個 IC 集成到設計中，從而增加 BOM 成本和電路板空間要求。

隨著越來越多的基于電機的消費和工業設備采用無刷直流電機設計，對包含所有必要功能的設備的需求促使 Qorvo 開發了全功能電源應用控制器 (PAC ? )。Qorvo 的PAC5556 電源應用控制器? (PAC ? )將所有必需的模擬、電源管理和柵極驅動信號源集成在一個緊湊的封裝中。

Qorvo PAC5556 簡介

Qorvo PAC5556 電源應用控制器? (PAC ? ) 采用超薄 QFN-52 封裝，可操作高達 600V DC的電機，并集成了任何 BLDC 或智能能源應用所需的一整套特性和功能（圖 1） . 高度集成的 PAC 架構使 Qorvo PAC5556 特別適合 PCB 不斷縮小的應用，例如白色家電、壓縮機和電動工具。

圖 1：該圖提供了 Qorvo PAC5556 電源應用控制器的簡化功能框圖。（來源：Qorvo）

具有 128kB 用戶可編程閃存的 150MHz 32 位 Arm? Cortex?-M4F 微控制器內核是該設備的核心。嵌套向量中斷控制器 (NVIC) 能夠容納多達 25 個外部中斷，提供喚醒功能，使設備能夠從不同的睡眠模式中恢復。24 位實時時鐘的時鐘門控允許低功耗操作。微控制器單元 (MCU) 還包含一個高速 12 位 ADC。PAC5556 的 Arm? Cortex?-M4F 微控制器內核配置為小端操作，包括對乘法和除法、DSP 指令和 IEEE754 單精度浮點單元 (FPU) 的硬件支持。集成 FPU 支持復雜的高分辨率控制算法，例如與 FOC 一起使用的算法。

脈寬調制 (PWM) 引擎為電機柵極驅動器提供驅動信號。PWM 引擎能夠進行精確的電機控制，時間低至 10ns，由四個 16 位定時器和 14 個通道組成。

PAC5556 的模擬前端具有高度可配置性，提供差分和單端可編程增益放大器、十個比較器、10 位 DAC、可編程過流保護、集成 VM ADC 采樣以及用于可互連和多個模擬輸入信號的可編程信號采樣、反饋放大和傳感器監控。這些模擬功能使該器件適用于磁場定向控制或基于傳感器的 BLDC 控制應用。

Qorvo PAC5556 的其他顯著屬性包括可配置的電源管理器和特定于應用的電源驅動器。可配置電源管理器包含一個多模式開關電源轉換器，允許使用降壓轉換器拓撲為 IC 和電機驅動電路供電。片上線性穩壓器提供 IC 電源軌，電源管理功能控制可用的睡眠和休眠模式。設計人員可以針對運行時和待機模式優化電源管理器。PAC 非常小的待機電流使電池供電工具在不使用時具有非常長的電池壽命。在始終連接到交流電的設備（如白色家電）中，電源管理器可以幫助確定能源之星評級。

圖 2顯示了用于驅動 BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 的簡化圖。

圖 2：該圖提供了用于控制 BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 的簡化圖。（來源：Qorvo）

為了幫助原型設計和開發過程，可以使用基于 Qorvo PAC5556 的評估板。Qorvo PAC5556EVK1是用于 PAC5556 的完整的全功能評估和原型設計平臺（圖 3）。該評估板支持多達三個額定電壓高達 220V AC或 450V DC的半 H 橋逆變器的柵極驅動。與計算機的虛擬 COM 端口連接以及基于 GUI 的軟件套件允許配置和控制在 PAC5556EVK1 上運行的任何應用程序。

圖 3：Qorvo PAC5556EVK1 評估板。（來源：Qorvo）

結論

無刷直流電機已成為廣泛用于消費和工業設備的流行選擇。隨著無刷電機被納入更廣泛的應用范圍，快速設計、原型和測試電機控制器的能力是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 電源應用控制器滿足了緊湊型電源控制解決方案的需求，可降低消費和工業電機應用中的能耗、體積和噪聲。該設計還滿足更嚴格的電路板空間要求，并將 BOM 成本降至最低。

審核編輯：湯梓紅