無(wú)刷電機(jī)獲得牽引力

無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)已成為各種電池和線路供電設(shè)備和電器的默認(rèn)電機(jī)選擇。與有刷直流電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)更可靠且需要的維護(hù)更少，還受益于行業(yè)對(duì)如何使用簡(jiǎn)單的微控制器算法控制它們的更廣泛理解。在當(dāng)今復(fù)雜精密的控制應(yīng)用中，有刷電機(jī)還會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的電噪聲，這意味著設(shè)計(jì)人員需要采用大量的電磁抗擾度緩解技術(shù)。有刷電機(jī)發(fā)出的噪音現(xiàn)在也被認(rèn)為是不受歡迎的，特別是對(duì)于便攜式電池供電的設(shè)備，例如真空吸塵器和個(gè)人電動(dòng)工具，包括線鋸和鉆頭/起子。

制造商使用轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)軸上的固定永磁體和電機(jī)外殼內(nèi)部的一系列勵(lì)磁繞組（通常為三個(gè)）構(gòu)造無(wú)刷直流電機(jī)。依次切換通過(guò)三個(gè)勵(lì)磁繞組的電流會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。控制驅(qū)動(dòng)器到每個(gè)勵(lì)磁線圈的脈沖寬度和開(kāi)關(guān)頻率可以控制電機(jī)速度、加速度和輸出扭矩。需要轉(zhuǎn)子運(yùn)行對(duì)三相電機(jī)控制算法的閉環(huán)反饋，以密切監(jiān)測(cè)和控制驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的當(dāng)前狀態(tài)。提供此反饋的兩種最流行的方法是：

將編碼器盤(pán)或其他形式的旋轉(zhuǎn)傳感器固定到轉(zhuǎn)子軸上。

感測(cè)勵(lì)磁繞組內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體感應(yīng)的反向電磁場(chǎng)。磁場(chǎng)定向控制（FOC）是指使用感應(yīng)場(chǎng)電壓。

無(wú)傳感器方法有助于提高電機(jī)的整體可靠性并降低物料清單 (BOM) 成本。

BLDC 電機(jī)控制器的架構(gòu)

如上一節(jié)所述，無(wú)刷電機(jī)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(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：

運(yùn)行電機(jī)控制算法的微控制器

提供開(kāi)關(guān)信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 電路

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率輸出級(jí)

模數(shù)轉(zhuǎn)換功能將軸旋轉(zhuǎn)傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，供微控制器處理。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。有助于塑造嵌入式電機(jī)控制器整體設(shè)計(jì)的初始因素是：

所需的功率/扭矩

供電電源

軸速

當(dāng)今快節(jié)奏的原型到生產(chǎn)重點(diǎn)往往會(huì)阻止設(shè)計(jì)工程師使用分立部件開(kāi)發(fā)定制控制器。因此，更流行的設(shè)計(jì)路線是使用現(xiàn)成的微控制器來(lái)運(yùn)行控制算法。除了不同的外設(shè)接口選項(xiàng)、時(shí)鐘和定時(shí)器之外，大多數(shù)微控制器還集成了范圍廣泛的 ADC/DAC 轉(zhuǎn)換功能。配備適當(dāng)?shù)奈⒖刂破骺赡軙?huì)提供大部分所需的電路功能，但許多微控制器往往沒(méi)有針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，也沒(méi)有集成必要的半/全“H”橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。還，能源管理是當(dāng)今大多數(shù)應(yīng)用的必要功能，在電機(jī)控制應(yīng)用中尤為重要，在這些應(yīng)用中，能效等級(jí)通常是客戶的關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)。電源管理 IC 可用，但這需要工程團(tuán)隊(duì)將另一個(gè) IC 集成到設(shè)計(jì)中，從而增加 BOM 成本和電路板空間要求。

隨著越來(lái)越多的基于電機(jī)的消費(fèi)和工業(yè)設(shè)備采用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)包含所有必要功能的設(shè)備的需求促使 Qorvo 開(kāi)發(fā)了全功能電源應(yīng)用控制器 (PAC ? )。Qorvo 的PAC5556 電源應(yīng)用控制器? (PAC ? )將所有必需的模擬、電源管理和柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)源集成在一個(gè)緊湊的封裝中。

Qorvo PAC5556 簡(jiǎn)介

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

圖 1：該圖提供了 Qorvo PAC5556 電源應(yīng)用控制器的簡(jiǎn)化功能框圖。（來(lái)源：Qorvo）

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

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 引擎能夠進(jìn)行精確的電機(jī)控制，時(shí)間低至 10ns，由四個(gè) 16 位定時(shí)器和 14 個(gè)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(gè)比較器、10 位 DAC、可編程過(guò)流保護(hù)、集成 VM ADC 采樣以及用于可互連和多個(gè)模擬輸入信號(hào)的可編程信號(hào)采樣、反饋放大和傳感器監(jiān)控。這些模擬功能使該器件適用于磁場(chǎng)定向控制或基于傳感器的 BLDC 控制應(yīng)用。

Qorvo PAC5556 的其他顯著屬性包括可配置的電源管理器和特定于應(yīng)用的電源驅(qū)動(dòng)器。可配置電源管理器包含一個(gè)多模式開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，允許使用降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)錇?IC 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電。片上線性穩(wěn)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(shè)計(jì)人員可以針對(duì)運(yùn)行時(shí)和待機(jī)模式優(yōu)化電源管理器。PAC 非常小的待機(jī)電流使電池供電工具在不使用時(shí)具有非常長(zhǎng)的電池壽命。在始終連接到交流電的設(shè)備（如白色家電）中，電源管理器可以幫助確定能源之星評(píng)級(jí)。

圖 2顯示了用于驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)的 Qorvo PAC5556 的簡(jiǎn)化圖。

圖 2：該圖提供了用于控制 BLDC 電機(jī)的 Qorvo PAC5556 的簡(jiǎn)化圖。（來(lái)源：Qorvo）

為了幫助原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以使用基于 Qorvo PAC5556 的評(píng)估板。Qorvo PAC5556EVK1是用于 PAC5556 的完整的全功能評(píng)估和原型設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖 3）。該評(píng)估板支持多達(dá)三個(gè)額定電壓高達(dá) 220V AC或 450V DC的半 H 橋逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)。與計(jì)算機(jī)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(yùn)行的任何應(yīng)用程序。

圖 3：Qorvo PAC5556EVK1 評(píng)估板。（來(lái)源：Qorvo）

結(jié)論

無(wú)刷直流電機(jī)已成為廣泛用于消費(fèi)和工業(yè)設(shè)備的流行選擇。隨著無(wú)刷電機(jī)被納入更廣泛的應(yīng)用范圍，快速設(shè)計(jì)、原型和測(cè)試電機(jī)控制器的能力是加快整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)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)用控制器滿足了緊湊型電源控制解決方案的需求，可降低消費(fèi)和工業(yè)電機(jī)應(yīng)用中的能耗、體積和噪聲。該設(shè)計(jì)還滿足更嚴(yán)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