S解决无刷直流控制器设计挑战

本博文首次发表于 Mouser Electronics 网站，由 Mouser Electronics 博客的定期撰稿人 Robert Huntley 撰写。
 

无刷电机获得青睐

无刷直流 (BLDC) 电机已成为各种电池供电和线路供电设备与电器的默认电机选择。与有刷直流电机相比，无刷直流电机更可靠，需要更少的维护，而且应用行业也广泛了解如何使用简单的微控制器算法进行控制。在当今复杂先进的控制应用中，有刷电机产生的电气噪声也太多，这意味着设计人员需要采用大量电磁抗干扰技术。现在有刷电机产生的可听噪声也属于不利因素，特别是便携式电池供电电器，如真空吸尘器和个人电动工具，包括线锯和电钻/电动螺丝刀等。

制造商利用转子驱动轴上的固定永磁体和电机壳内部的一系列励磁绕组（通常是三个）来制造无刷直流电机。依次通过三个励磁绕组切换电流，使驱动轴转动。控制脉冲宽度和每个励磁线圈驱动器的开关频率，可以控制电机速度、加速度和输出扭矩。需要将转子的运行状态闭环反馈给三相电机控制算法，以严密监视和控制驱动轴转动的当前状态。提供这种反馈的两个最常用方法是：

• 将编码盘或其他形式的旋转传感器附加到转子轴上。
• 感应转子永磁体在励磁绕组内引起的反向电磁场。磁场定向控制 (FOC) 是指使用感应磁场电压。

 

无传感器方法有助于提高整体电机可靠性以及降低物料清单 (BOM) 成本。


 

BLDC电机控制器的架构

如上一节所述，无刷电机控制器需要三个不同的电路功能。这三个不同的电路功能通过以下组件实现：

• 运行电机控制算法的微控制器
• 提供开关信号的脉宽调制 (PWM) 电路
• 驱动电机的功率输出级

 

模数功能将轴旋转传感器信号转换成数字域，由微控制器进行处理。在设计嵌入式电机控制器时，有几个设计考虑因素。有助于形成嵌入式电机控制器整体设计的初始因素：

• 所需的功率/扭矩
• 电源
• 轴速度

 

当今注重从原型快速实现生产的趋势，使得设计工程师开发自定义控制器时不会去采用分立部件。因此，较常用的设计方法是使用现成的微控制器来运行控制算法。大多数微控制器除了不同的外设接口选项、时钟和定时器外，还包含各种 ADC/DAC 转换功能。一个配备适当的微控制器可能提供大部分所需电路功能，但许多微控制器往往不会针对电机控制应用进行优化或包含必要的半/全“H”桥电机驱动功能。此外，能源管理也是当今大多数应用的一个必要功能，在电机控制应用中尤其重要，对于此类应用，能效评级通常是客户的关键选择标准。还有电源管理 IC，但这需要工程团队将其他 IC 集成到设计中，从而会提高 BOM 成本和电路板空间要求。

随着越来越多基于消费类和工业电机的电器采用无刷直流电机设计，需要一种包含所有必要功能的设备，为此 Qorvo 开发出全功能电源应用控制器 (PAC^TM)。Qorvo 的 ^{PAC5556 电源应用控制器® (PACTM)} 在单个紧凑型封装内集成了所有必需的模拟、电源管理和栅极驱动信号源。


 

Qorvo PAC5556 简介

Qorvo PAC5556 电源应用控制器^® (PAC^TM) 采用纤薄的 QFN-52 封装，支持高达 600V_DC的电机工作，并集成了一系列所有 BLDC 或智能能源应用所需的各种功能和特性（图 1）。高度集成的 PAC 架构使 Qorvo PAC5556 特别适合 PCB 尺寸不断缩小的应用，如白色家电、压缩机和电动工具。

 
图 1：图中显示 Qorvo PAC5556 电源应用控制器的简化功能框图。（数据来源：Qorvo）
 

该设备的核心是具有 128kB 用户可编程闪存的 150MHz 32 位 Arm^® Cortex^®-M4F 微控制器内核。嵌套矢量中断控制器 (NVIC) 能够容纳多达 25 个外部中断，可提供唤醒功能，使设备能够从不同的睡眠模式中恢复工作。24 位实时时钟的时钟门控允许低功耗运行。微控制器单元 (MCU) 也集成了高速 12 位 ADC。PAC5556 的 Arm^® Cortex^®-M4F 微控制器内核针对小端字节序操作而配置，包括乘法和除法的硬件支持、DSP 指令和 IEEE754 单精度浮点单元 (FPU)。集成的 FPU 支持复杂的高分辨率控制算法，如用于 FOC 的算法。此 MCU 的高性能特性使设计工程师能够在应用中轻松实现复杂的实时算法、安全软件和诊断。

脉宽调制 (PWM) 引擎为电机栅极驱动器提供驱动信号。PWM 引擎包括四个 16 位定时器和 14 个通道，具有低至 10ns 的精密电机控制功能。

PAC5556 的模拟前端高度可配置，并提供差分和单端可编程增益放大器、10 个比较器、10 位 DAC、可编程过电流保护、集成 VM ADC 采样，以及用于可互连和可编程信号采样、反馈放大和多个模拟输入信号的传感器监控的 I/O。这些模拟功能使该设备适用于磁场定向控制或基于传感器的 BLDC 控制应用。

Qorvo PAC5556 还包括一个可配置电源管理器和特定应用功率驱动器。可配置电源管理器包含一个允许 IC 和电机驱动器电路使用降压转换器拓扑供电的多模式开关电源转换器。片上线性稳压器提供 IC 供电轨，电源管理功能控制可用的睡眠和休眠模式。设计人员可优化电源管理器的运行时和待机模式。PAC 的待机电流很小，因此电池供电工具在不使用时，电池使用寿命很长。在始终连接至交流电的设备（如白色家电）中，电源管理器可以帮助达到能源之星评级要求。功率驱动器块提供了所有必要的高端和低端栅极驱动器，适用于各种不同的电机驱动配置，包括半桥和全“H”桥。

用于驱动 BLDC 电机的 Qorvo PAC5556 简化电路图如图 2 所示。

 
图 2：用于控制 BLDC 电机的 Qorvo PAC5556 简化电路图。（数据来源：Qorvo）
 

为帮助进行原型制作和开发工作，提供了基于 Qorvo PAC5556 的评估板。Qorvo PAC5556EVK1 是用于 PAC5556 的完整全功能评估和原型制作平台（图 3）。该评估板支持多达三个额定值达 220V_AC 或 450V_DC 的半 H 桥逆变器的栅极驱动。通过与计算机的虚拟 COM 端口连接以及基于 GUI 的软件套件，可配置和控制在 PAC5556EVK1 上运行的所有应用。

 
图 3：Qorvo PAC5556EVK1 评估板。（数据来源：Qorvo）
 

结论

众多消费类和工业电器中都普遍选择使用无刷直流电机。随着无刷电机的应用范围更加广泛，快速设计、原型制作和测试电机控制器的能力成为加快整个产品设计过程的关键。因此，设计工程师需要一种在单个封装内集成所有必需的模拟、电源管理和栅极驱动信号源的设备。高度集成的 Qorvo PAC5556 电源应用控制器能够满足紧凑型功率控制解决方案的需求，可减少消费类和工业电机应用的能耗、尺寸和噪声。该设计也满足更严格的电路板空间要求，并保持最低的 BOM 成本。