基于CORTEX-M0的电力应用控制器(PAC)系列的电机解决方案

无处不在的有刷电机于 19 世纪初推出，依靠用于驱动转子的定子线圈中的电流机械换向。现在，软件换向算法的创新和嵌入式微控制器成本的降低正在为新一代无刷直流电机、高压交流电机和永磁同步电机 （PMSM） 注入新的活力。这些电机可为一系列应用提供显着的功率和性能优势，包括冰箱和冰柜、洗衣机和烘干机、加热和冷却系统 （HVAC） 以及家庭和花园电动工具等家用电器。通过集成 32 位 ARM Cortex-M0 处理器内核以及复杂的可配置模拟和电源管理，Active Semiconductor 的 Power Application Controller™ （PAC） 系列集成电路以可承受的成本提供更智能的电机控制，从而推动了这一创新浪潮。高度集成的解决方案不仅减少了系统组件数量并提高了能源效率，而且还通过自动故障缓解系统提高了安全性。

电动机市场可以通过多种方式进行细分。典型的细分是交流对直流（采用典型控制方法），一些示例如下表 1 所示。 流行的控制方法范围从简单的电压控制到更复杂的电子换向，包括电压频率 （V/f）、脉冲宽度调制 （PWM） 控制、120 度梯形控制或磁场定向控制 （FOC）。细分市场的其他方法是通过马力，这通常与执行节能考虑相关，或者通过最终应用，这可能对系统考虑因素产生重大影响，例如传感器或无传感器操作、速度控制、扭矩控制和初始位置检测。

与任何电子系统一样，必须考虑确保性能、设计占用空间、成本和能源效率之间的平衡。由于全球使用的电机数量庞大，能源效率已成为传统电机技术替代的最强大驱动力之一。认识到这种节能需求后，一些政府机构已开始强制要求电动机的节能目标，尤其是那些高于特定额定功率的电动机。例如，欧洲的能源使用产品 （EUP） 指令 （EC640/2009） 对电机的能效提出了严格要求，并于 2017 年强制执行。此外，

更好的系统性能和整体系统尺寸也在推动电机选择和控制算法的使用。例如，冰箱通常以其能效为标准，而新的吊扇设计则更安静、更高效，甚至外形更小。通过从传统的交流感应电机使用迁移到高压 BLDC 电机，这些用户好处是可能的。

市场趋势与挑战

传统的有刷电机和交流感应电机构成了当今行业中使用的大部分电机。由于追求更低的功耗、更好的系统性能和降低成本，趋势发生了变化。一些常见的变化包括：

• 从有刷电机迁移到无刷直流 （BLDC） 电机

• 从交流感应电机迁移到 PMSM 和 BLDC 电机

• 从传感器迁移到无传感器电机控制

• 增加使用变频驱动算法和无传感器 FOC

然而，这种转变遇到了一些阻力。传统电机技术的制造成本可以很好地摊销。开发和部署新的电机控制技术会产生电机控制硬件平台和电机控制软件的研发成本。此外，由于附加功能导致物料清单 （BOM） 数量增加，设计占用空间可能不适合较小的外形尺寸。

尽管存在这些不利因素，迁移到更新的电机技术的趋势仍然存在。对更节能和更高性能的基于电机的设备的需求正在降低开发成本。此外，PAC IC 等高度集成的解决方案有助于简化整体系统设计，降低开发、构建和销售此类设备的成本。

采用基于 CORTEX-M0 的电力应用控制器 （PAC） 系列的电机解决方案

电源应用控制器 （PAC） 是一个 IC 系列，它集成了 ARM Cortex-M0 内核以及复杂的模拟和电源管理外设，解决了许多设计问题，并为运行复杂的变频驱动器磁场定向控制提供了单 IC 硬件解决方案和其他控制算法，设计占用空间小。图 1 显示了 PAC IC 的一般框图。

Cortex-M0 处理器的最小配置只有 12k 个门，结合了一系列优势，包括超低功耗性能和低硅成本。该内核采用 32 位可编程处理器，具有极短的中断延迟、简单的编程模型和内置的故障异常处理，已在超过 10 亿个现场部署设备中证明了其自身的能力。

Cortex-M0 内核通过多模式电源管理 （MMPM）、可配置模拟前端 （CAFE）、数据转换器、自动采样序列器和 100 MHz PWM 引擎以及其他硬件外设进行了增强。这些因素结合在一起，为 Cortex-M0 处理器提供了更好的性能。例如，MMPM 使 PAC IC 能够管理交流输入电源（在 AC-DC 反激配置中）或高达 72V 的直流输入（在降压或升压模式下）。此外，MMPM 中包含的四个板载 LDO 提供系统电源轨，从而无需额外的 IC 来管理系统电源。

Cortex-M0 处理器包括许多内置功能，使软件开发人员能够创建可靠的系统。故障检测功能可以检测到许多错误情况，然后可以快速恢复，或提供诊断信息以帮助调试情况。强大的 CAFE 块进一步增强了安全功能。该模块使可编程增益放大器 （PGA） 能够检测系统故障，该故障可能由通过电机相位的电流条件引起，并通过关闭栅极驱动器、中断 Cortex-M0 处理器和启用进一步的软件操作来响应被带走。

使 PAC 能够为变频驱动电机运行复杂 FOC 算法的关键特性之一是获得专利的自动采样定序器块。图 3a 显示了 PAC 的操作，它释放了 Cortex-M0 处理器以专注于应用程序代码，而图 3b 显示了一个典型的 MCU，它必须监控数据采集过程，从而占用 MCU 内核。

电机控制系统解决方案

PSMS 电机通常用于牵引、机器人或航空航天设备的工业自动化，需要更大的功率和更高的智能。在系统级别，这需要电机控制硬件解决方案，该解决方案占用空间小，集成度更高，BOM 数量更少，硬件性能更高，以运行复杂的算法。PAC5250 通过集成 600V 栅极驱动器和用于 FOC 的 ARM Cortex-M0 来简化系统设计。如图 4 所示，基于 PAC5250 的系统只需要额外的无源元件，从而显着减少整体系统 BOM 数量。

对于 BLDC 电机，PAC5223 能够驱动高达 72V 的栅极，并且可以在有或没有外部传感器的情况下运行。在 Cortex-M0 上运行精确控制算法的能力使 BLDC 电机能够在没有任何传感器的情况下运行，从而进一步减少了所需的外部组件的数量。

电机控制固件/软件

在一些电机被封装的应用中，基于传感器的解决方案是不切实际的，因为通过外壳获得反馈线的成本很高。这就是无传感器 FOC 系统通过处理控制器上已有的信号为设计人员提供信息的地方。用于估计反电磁场 （EMF） 波形和检测任何滑动的软件模型对于同步和异步系统变得至关重要。无论采用何种技术，生产稳定软件传感器的过程都极具挑战性。需要使用 FOC 的应用将在 PAC52XX 电机中找到功能，它为 FOC 应用提供成本和可编程性之间的最佳平衡。

随着越来越多的应用依赖于 BLDC 和 PSMS 电机，例如医疗设备、家用电器、楼宇控制、工业自动化和机器人技术，提供更多智能控制和提高效率的压力越来越大。用于电机控制的基于微控制器的电子换向还有助于满足政府机构和消费者对更低功耗和更高效率的需求。高度优化的 PAC 系列 IC 由 ARM Cortex-M0 处理器与高度复杂的、可配置的模拟和电源管理外设相结合，提供了满足为变频驱动器实施复杂算法所需的处理的解决方案。此外，

关于本文及其作者：

Suribhotla Rajasekhar 是 Active-Semi International 的营销总监，Tim Menasveta 是 ARM 的 Cortex-M 处理器产品经理。

编辑：hfy