【導讀】眾多消費類(lèi)和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無(wú)刷直流電機。構建適用于 BLDC 的控制器需要幾個(gè)關(guān)鍵功能，而它們全部整合到了 Qorvo 單封裝 PAC5556 功率應用控制器? (PAC?) 中。
無(wú)刷電機獲得青睞
無(wú)刷直流 (BLDC) 電機已成為各種電池供電和線(xiàn)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(wú)刷直流電機更可靠，需要更少的維護，而且應用行業(yè)廣泛了解如何使用簡(jiǎn)單的微控制器算法進(jìn)行控制。在當今復雜先進(jìn)的控制應用中，有刷電機產(chǎn)生的電氣噪聲過(guò)多，這意味著(zhù)設計人員需要采用大量電磁抗干擾技術(shù)?，F在有刷電機產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲屬于不利因素，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(xiàn)鋸和電鉆/電動(dòng)螺絲刀等。
制造商利用轉子驅動(dòng)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(gè)）來(lái)制造無(wú)刷直流電機。依次通過(guò)三個(gè)勵磁繞組切換電流，使驅動(dòng)軸轉動(dòng)?？刂泼}沖寬度和每個(gè)勵磁線(xiàn)圈驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)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，以嚴密監視和控制驅動(dòng)軸轉動(dòng)的當前狀態(tài)。提供這種反饋的兩個(gè)最常用方法是：
● 將編碼盤(pán)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(chǎng)。磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 是指使用感應磁場(chǎng)電壓。
無(wú)傳感器方法有助于提高整體電機可靠性和降低物料清單 (BOM) 成本。
BLDC 電機控制器的架構
如前所述，無(wú)刷電機控制器需要三個(gè)不同的電路功能。這三個(gè)不同的電路功能通過(guò)以下組件實(shí)現：
● 運行電機控制算法的微控制器
● 提供開(kāi)關(guān)信號的脈寬調制 (PWM) 電路
● 驅動(dòng)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(jìn)行處理。在設計嵌入式電機控制器時(shí)，可以考慮幾種設計。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(shí)現生產(chǎn)的趨勢，使得設計工程師開(kāi)發(fā)自定義控制器時(shí)不會(huì )去采用分立部件。較常用的設計方法是使用現成的微控制器來(lái)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(shí)鐘和定時(shí)器外，還包含各種 ADC/DAC 轉換功能。一個(gè)配備適當的微控制器可能提供大部分所需電路功能。然而，許多微控制器往往不會(huì )針對電機控制應用進(jìn)行優(yōu)化或包含必要的半/全 H 橋電機驅動(dòng)功能。此外，能源管理也是當今大多數應用的一個(gè)必要功能，在電機控制應用中尤其重要，對于此類(lèi)應用，能效評級通常是客戶(hù)的關(guān)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(huì )提高 BOM 成本和電路板空間要求。
隨著(zhù)越來(lái)越多基于消費類(lèi)和工業(yè)電機的電器采用無(wú)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(kāi)發(fā)出全功能電源應用控制器 (PAC?)。Qorvo 的 PAC5556 電源應用控制器? (PAC?) 在單個(gè)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(dòng)信號源。
無(wú)刷直流 (BLDC) 電機已成為各種電池供電和線(xiàn)路供電設備與電器的默認電機選擇。
Qorvo PAC5556 簡(jiǎn)介
Qorvo PAC5556 電源應用控制器? (PAC?) 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(dòng)工具。
圖 1：圖中顯示 Qorvo PAC5556 電源應用控制器的簡(jiǎn)化功能框圖。
該設備的核心是具有 128kB 用戶(hù)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(gè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)鐘門(mén)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(shí)現復雜的實(shí)時(shí)算法、安全軟件和診斷。
脈寬調制 (PWM) 引擎為電機柵極驅動(dòng)器提供驅動(dòng)信號。PWM 引擎包括四個(gè) 16 位定時(shí)器和 32 個(gè)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、6 個(gè)比較器、10 位 DAC、可編程過(guò)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(gè)模擬輸入信號的傳感器監控的 I/O。這些模擬功能使該設備適用于磁場(chǎng)定向控制或基于傳感器的 BLDC 控制應用。
Qorvo PAC5556 還包括一個(gè)可配置電源管理器和特定應用功率驅動(dòng)器?？膳渲秒娫垂芾砥靼粋€(gè)允許 IC 和電機驅動(dòng)器電路使用降壓轉換器拓撲供電的多模式開(kāi)關(guān)電源轉換器。片上線(xiàn)性穩壓器提供 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(shí)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(shí)，電池使用壽命很長(cháng)。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(dòng)器塊提供了所有必要的高端和低端柵極驅動(dòng)器，適用于各種電機驅動(dòng)配置，包括半橋和全 H 橋。
用于驅動(dòng) BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 簡(jiǎn)化電路圖如圖 2 所示。
眾多消費類(lèi)和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無(wú)刷直流電機。
圖 2：用于控制 BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 簡(jiǎn)化電路圖。
為幫助進(jìn)行原型制作和開(kāi)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(gè)額定值達 220VAC 或 450VDC 的半 H 橋逆變器的柵極驅動(dòng)。通過(guò)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。
結論
眾多消費類(lèi)和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無(wú)刷直流電機。隨著(zhù)無(wú)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(gè)產(chǎn)品設計過(guò)程的關(guān)鍵。因此，設計工程師需要一種在單個(gè)封裝內集成所有必需的模擬、電源管理和柵極驅動(dòng)信號源的設備。高度集成的 Qorvo PAC5556 電源應用控制器能夠滿(mǎn)足緊湊型功率控制解決方案的需求，可減少消費類(lèi)和工業(yè)電機應用的能耗、尺寸和噪聲。該設計也滿(mǎn)足更嚴格的電路板空間要求，并保持最低的 BOM 成本。
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