【導讀】電機最早出現在十八世紀，之后迅速全面普及，根據國際能源署 IEA-4E 組織 EMSA 數據，其消耗了全球生產(chǎn)能源的一半以上，數據來(lái)源：Electric Motor Systems - 4E Energy Efficient End-use Equipment (iea-4e.org)。國際能源署（IEA) 也表示，通常 95% 的電機生命周期成本，來(lái)自為其提供動(dòng)力的電力，因此任何能夠提高電機運行效率的技術(shù)方法都會(huì )受市場(chǎng)歡迎。
“智能” 控制就可以做到這一點(diǎn)，它不僅使電機在工作中更加靈活、高效，還能降低運行成本和能源消耗，減少環(huán)境影響或延長(cháng)電池壽命。
此外還通過(guò)立法促使解決這個(gè)問(wèn)題。例如，IEC 60034-30-1 規定了由電網(wǎng)側供電的交流電機應達到的能效等級。
常用的電機類(lèi)型
根據應用場(chǎng)景的不同，使用的電機類(lèi)型也各種各樣。
以一個(gè)典型的西方富裕家庭為例，Qorvo 估計這個(gè)家里可能有 14 臺有刷直流電機、26 臺無(wú)刷直流電機、48 臺交流感應電機和 4 臺通用交流-直流電機?？偣灿?31 個(gè)電池供電和 61 個(gè)電網(wǎng)供電。
交流感應電機相對簡(jiǎn)單且可靠，因此在家用市場(chǎng)和工業(yè)領(lǐng)城均占主導地位。
正常情況下，它們成本低，沒(méi)有電刷磨損，速度有一些 “轉速差”，也就是說(shuō)，它們幾乎與交流驅動(dòng)同頻或是其的倍頻。
單相電機需要特殊的啟動(dòng)方法，效率不高，但用途廣泛，而三相電機支持自啟動(dòng)，運行效率更高，使交流感應電機非常適合泵和風(fēng)扇等恒定負載/速度應用。
如果需要變速，可以使用變頻驅動(dòng) (VFD)，但在 “標準” 電機中添加變頻驅動(dòng)功能時(shí)，可能會(huì )出現絕緣應力、EMI 和共模電流流過(guò)電機本體等問(wèn)題。
對于直流或通用交流轉直流電源，電機旋轉時(shí)，其電刷通過(guò)依次給線(xiàn)圈通電來(lái)強制換向和旋轉。這些電機成本低，性能優(yōu)，啟動(dòng)轉矩大，因此在小型工具和電器中很受歡迎。
然而，電刷確實(shí)會(huì )磨損，而且通常產(chǎn)生高壓電弧和可聽(tīng)噪音。通過(guò)改變直流或交流電源電壓，或通過(guò)交流相位角控制來(lái)實(shí)現具有可選閉環(huán)調節的速度控制，這些通常效率較差，但為勵磁線(xiàn)圈分接開(kāi)關(guān)提供了可能。
目前常用的電機類(lèi)型是無(wú)刷直流電機 (BLDC)，是基于有刷直流電機改進(jìn)而來(lái)，可以去除電刷。
此類(lèi)電機的性能更好，效率更高，壽命更長(cháng)。
缺點(diǎn)是必須由 VFD（交頻驅動(dòng)）提供多相交流電源，但確實(shí)可提供速度和轉矩控制，并根據負載要求調整這些參數，從而節省能源、提升工藝效率，以上這些優(yōu)點(diǎn)可以迅速抵消 VFD 的初始成本。因此，BLDC 電機在電池供電型手持工具以及交流電源 (輸入經(jīng)整流和功率因數校正后作為 VFD 電源）供電的電器中頗受青睞。
圖 1. 相同機架尺寸的電機性能比較（來(lái)源：Groschopp）
上述部分電機類(lèi)型的主要特性如圖 1 所示，所有電機的物理尺寸相同。
BLDC電機
現在來(lái)觀(guān)察分析 BLDC 電機及其驅動(dòng)，圖 2 顯示了三相電機的線(xiàn)圈通電順序。
圖 2. 一個(gè)簡(jiǎn)單的三相 BLDC 電機與驅動(dòng)開(kāi)關(guān)的順序
施加電壓存在一定的 “死區” 時(shí)間，原因在于開(kāi)關(guān)的橋式布局（圖 3）可以是 IGBT 或 MOSFET，但越來(lái)多的使用 SiC FET 這樣的寬帶隙器件（如圖所示）。當電機旋轉時(shí)，開(kāi)關(guān)管的切換由軸傳感器或其它方法觸發(fā)，轉子角度、速度和電流的反饋可用于控制轉矩和轉矩波動(dòng)，這會(huì )導致不必要的振動(dòng)。
圖 3. BLDC 電機有三相橋式開(kāi)關(guān)驅動(dòng)，以 Qorvo SiC FET為例
如果沒(méi)有反饋，電機將旋轉達到系統延遲和線(xiàn)圈電感允許的最大速度，隨著(zhù)轉速增加，每一個(gè)較短周期的開(kāi)關(guān)動(dòng)作都會(huì )降低峰值電流，從而使轉矩減小。
在實(shí)現 BLDC 電機控制的過(guò)程中涉及許多變量，包括所需的最大和間歇轉矩、功率、速度范圍、工作電壓、反饋傳感器類(lèi)型及其電壓等級等等。
這些定義了驅動(dòng)所需的電壓和頻率范圍，及其峰值和連續額定功率，包括故障和過(guò)載。
控制器獲取相應的反饋和狀態(tài)信息，并通過(guò)算法根據時(shí)序和載波頻率調制向開(kāi)關(guān)提供優(yōu)化的柵極驅動(dòng)信號，以設定速度和轉矩。
BLDC電機的控制
三相 BLDC 電機可以將線(xiàn)圈分段控制，任何時(shí)候都保持兩個(gè)線(xiàn)圈通電，第三個(gè)線(xiàn)圈 “懸空”。懸空繞組以梯形波形顯示反電動(dòng)勢（圖 4，左），其過(guò)零點(diǎn)可用于確定轉子的角度位置，這種方法成本低、精度高，但霍爾效應傳感器允許在重載條件下啟動(dòng)，這種響應很難通過(guò)傳統的無(wú)傳感器算法獲得。
從機械角度看，分離式線(xiàn)圈是非常簡(jiǎn)單的布局，但確實(shí)會(huì )產(chǎn)生一些轉矩波動(dòng)。
如果將線(xiàn)圈繞在定子周?chē)?，反電?dòng)勢可以是正弦波（圖 4，右)，理論上沒(méi)有轉矩波動(dòng)。
圖 4. BLDC 和永磁同步電機的反電動(dòng)勢和 PWM 驅動(dòng)波形
在實(shí)踐中，可以達到 1% 左右，但峰值轉矩和功率密度低于梯形反電動(dòng)勢。
這種布局就是 “永磁同步電機”（PMSM)，要求所有的繞組在任何時(shí)候都要通電，因此浮動(dòng)繞組的位置信息不可用，通常需要一個(gè)單獨的軸傳感器。
無(wú)論哪種情況，PWM 驅動(dòng)調制都會(huì )設置為分別與梯形或正弦匹配，以獲得最佳性能。
六步梯形波控制更容易實(shí)現，能夠以高轉矩啟動(dòng)，并適用于非常高的速度，比如在電動(dòng)工具中就很有用。
基本形式的 PMSM，其制造成本較高，啟動(dòng)轉矩較低，驅動(dòng)更復雜，但速度控制更穩定，適合換氣風(fēng)扇等應用。
有些方案從梯形波驅動(dòng)啟動(dòng)，并隨電機旋轉切換到正弦驅動(dòng)，為了獲得最佳性能，可將光學(xué)編碼器或旋轉變壓器用于 PMSM，以取代霍爾傳感器。
磁場(chǎng)定向貨矢量控制
為了利用 PMSM 實(shí)現更優(yōu)性能，可以使用 “矢量” 或 “磁場(chǎng)定向控制” (FOC)。
對于使用能耗更低的小型電機，這有助于實(shí)現零速滿(mǎn)轉矩啟動(dòng)、平穩運行、快速加速/ 減速和更好的精度。
傳感器可以提供轉子位置反饋，或者采用 “無(wú)傳感器” 方案，通過(guò)電機特性模型使用繞組電流和電壓。
然而，FOC（磁場(chǎng)定向控制）很復雜，需要較強的數字處理能力，問(wèn)題在于啟動(dòng)時(shí)無(wú)法獲取轉子位置信息，因此，在傳感器提供有效反饋之前，通常會(huì )應用開(kāi)環(huán)初始驅動(dòng)。為了提供出色的性能，FOC 需要從轉子位置和繞組電流中得出磁鏈和轉矩值。
通過(guò) “克拉克變換” 方法將三相繞組電流轉換為兩相等效電流，然后使用 “帕克變換” 和旋轉角度計算旋轉坐標，從而得出控制參數、磁鏈和轉矩。
將目標值與補償反鎖信號比較，其差值送入比例 -積分 (PI) 控制器。
該信號通過(guò)反向克拉克和帕克變換過(guò)程，為橋式驅動(dòng)電路中的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生驅動(dòng)信號，應用 PWM 以形成正弦電流，其有效值對應于所需轉矩。圖 5 為該方案示意圖。
圖 5. BLDC 電機的 “矢量” 或 FOC 控制。
Qorvo的BLDC電機控制解決方案
驅動(dòng) BLDC 電機以獲得最佳性能的所有復雜性操作，包括磁場(chǎng)定向控制，現在可以在 Qorvo 的 PAC5xxx 系列電源應用控制器（PACTM) 中實(shí)現。該單芯片解決方案包括所有可能需要的控制參數的接口，并提供高達 600V 額定電壓且具有高峰值電流的驅動(dòng)能力，以滿(mǎn)足電池供電和電網(wǎng)整流供電的要求。
固件可以遠程配置和更新，還包括一個(gè) “自動(dòng)調試” 模式，可針對特定的電機進(jìn)行微調操作。
圖 6. Qorvo 的 PACTM 系列 BLDC 控制器
PAC5xxx 系列基于 Arm? Cortex?-M4F 內核，運行頻率為 150Mhz，搭載 32kB SRAM 和 128kB 閃存，配備 12 位 2.5MSPS 模數轉換器 (ADC)；或基于 Arm? Cortex?-Mo，運行頻率為 50Mhz，搭載 8kB SRAM 和 32kB 閃存，配備 10 位 1MSPS ADC（圖 6）。
這些方案包括內部開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性穩壓器，節省了電路板空間和 BOM 成本?？膳渲媚M前端 (CAFE）包括單端和差分可編程增益運算放大器、比較器、數模轉換器和 I/O 電路。
具有可互連和可編程的信號采樣、反饋放大以及多個(gè)模擬輸入信號的傳感器監測功能。
低功率等級版本型號 PAC5285 還集成了功率 MOSFET，形成一個(gè)驅動(dòng)橋，為手持設備和工具等 BLDC 應用提供了緊湊型解決方案。
所有 PACTM 系列器件都具有全國的保護功能，包括過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓和超溫保護。
為了展示這些控制器的功能，Qorvo PAC5223 芯片為無(wú)人機電機驅動(dòng)等應用提供了參考設計，是一個(gè) “微型” FOC 解決方案，尺寸只有 9mm x 15mm，輸出電流的有效值高達 17A，輸入電壓為 4.5V-18V。
另一個(gè)參考設計 RD5223PT 展示了 PAC5223 如何用于電動(dòng)工具，其 PCB 尺寸為 60mm x 25mm，可以裝配到工具的手柄中。圖 7 支持的峰值電流為 25A RMS/300W。所有參考設計都提供原理圖、布局圖和 BOM。
圖 7. 用于電動(dòng)工具的 Qorvo BLDC 電機驅動(dòng)參考設計，峰值功率為 300W
Qorvo 的 PAC 系列芯片是硬件生態(tài)系統的一部分，還具有完整的數據手冊、參考軟件、可配置圖形界面和用戶(hù)指南、應用筆記和軟件開(kāi)發(fā)套件。
結論
在價(jià)格敏感的電動(dòng)工具、小家電和無(wú)人機應用中，因為復雜的驅動(dòng)和傳感系統阻礙 BLDC 電機的應用，而這些電機在尺寸、重量、轉矩和可控性方面具有強大的優(yōu)勢。
現在，Qorvo 在其 PACTM 器件系列中提供的集成驅動(dòng)解決方案以低成本，高性能控制器打破了這一障礙，再加上全方位的支特，在終端產(chǎn)品中實(shí)施將會(huì )更輕松快捷。
本文作者：Jose Quinones，Qorvo 應用工程師
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