使用Qorvo PAC5556解决BLDC控制器设计挑战

无刷电机获得牵引力

无刷直流 (BLDC) 电机已成为各种电池和线路供电设备和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且需要的维护更少，还受益于行业对如何使用简单的微控制器算法控制它们的更广泛理解。在当今复杂精密的控制应用中，有刷电机还会产生过多的电噪声，这意味着设计人员需要采用大量的电磁抗扰度缓解技术。有刷电机发出的噪音现在也被认为是不受欢迎的，特别是对于便携式电池供电的设备，例如真空吸尘器和个人电动工具，包括线锯和钻头/起子。

制造商使用转子驱动轴上的固定永磁体和电机外壳内部的一系列励磁绕组（通常为三个）构造无刷直流电机。依次切换通过三个励磁绕组的电流会导致驱动轴旋转。控制驱动器到每个励磁线圈的脉冲宽度和开关频率可以控制电机速度、加速度和输出扭矩。需要转子运行对三相电机控制算法的闭环反馈，以密切监测和控制驱动轴旋转的当前状态。提供此反馈的两种最流行的方法是：

将编码器盘或其他形式的旋转传感器固定到转子轴上。

感测励磁绕组内转子永磁体感应的反向电磁场。磁场定向控制（FOC）是指使用感应场电压。

无传感器方法有助于提高电机的整体可靠性并降低物料清单 (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种不同的电路功能。这三种不同的电路功能是通过以下方式实现的：

运行电机控制算法的微控制器

提供开关信号的脉冲宽度调制 (PWM) 电路

驱动电机的功率输出级

模数转换功能将轴旋转传感器信号转换为数字域，供微控制器处理。在设计嵌入式电机控制器时，有几个设计考虑因素。有助于塑造嵌入式电机控制器整体设计的初始因素是：

所需的功率/扭矩

供电电源

轴速

当今快节奏的原型到生产重点往往会阻止设计工程师使用分立部件开发定制控制器。因此，更流行的设计路线是使用现成的微控制器来运行控制算法。除了不同的外设接口选项、时钟和定时器之外，大多数微控制器还集成了范围广泛的 ADC/DAC 转换功能。配备适当的微控制器可能会提供大部分所需的电路功能，但许多微控制器往往没有针对电机控制应用进行优化，也没有集成必要的半/全“H”桥电机驱动功能。还，能源管理是当今大多数应用的必要功能，在电机控制应用中尤为重要，在这些应用中，能效等级通常是客户的关键选择标准。电源管理 IC 可用，但这需要工程团队将另一个 IC 集成到设计中，从而增加 BOM 成本和电路板空间要求。

随着越来越多的基于电机的消费和工业设备采用无刷直流电机设计，对包含所有必要功能的设备的需求促使 Qorvo 开发了全功能电源应用控制器 (PAC ™ )。Qorvo 的PAC5556 电源应用控制器® (PAC ™ )将所有必需的模拟、电源管理和栅极驱动信号源集成在一个紧凑的封装中。

Qorvo PAC5556 简介

Qorvo PAC5556 电源应用控制器® (PAC ™ ) 采用超薄 QFN-52 封装，可操作高达 600V DC的电机，并集成了任何 BLDC 或智能能源应用所需的一整套特性和功能（图 1） . 高度集成的 PAC 架构使 Qorvo PAC5556 特别适合 PCB 不断缩小的应用，例如白色家电、压缩机和电动工具。

图 1：该图提供了 Qorvo PAC5556 电源应用控制器的简化功能框图。（来源：Qorvo）

具有 128kB 用户可编程闪存的 150MHz 32 位 Arm® Cortex®-M4F 微控制器内核是该设备的核心。嵌套向量中断控制器 (NVIC) 能够容纳多达 25 个外部中断，提供唤醒功能，使设备能够从不同的睡眠模式中恢复。24 位实时时钟的时钟门控允许低功耗操作。微控制器单元 (MCU) 还包含一个高速 12 位 ADC。PAC5556 的 Arm® Cortex®-M4F 微控制器内核配置为小端操作，包括对乘法和除法、DSP 指令和 IEEE754 单精度浮点单元 (FPU) 的硬件支持。集成 FPU 支持复杂的高分辨率控制算法，例如与 FOC 一起使用的算法。

脉宽调制 (PWM) 引擎为电机栅极驱动器提供驱动信号。PWM 引擎能够进行精确的电机控制，时间低至 10ns，由四个 16 位定时器和 14 个通道组成。

PAC5556 的模拟前端具有高度可配置性，提供差分和单端可编程增益放大器、十个比较器、10 位 DAC、可编程过流保护、集成 VM ADC 采样以及用于可互连和多个模拟输入信号的可编程信号采样、反馈放大和传感器监控。这些模拟功能使该器件适用于磁场定向控制或基于传感器的 BLDC 控制应用。

Qorvo PAC5556 的其他显着属性包括可配置的电源管理器和特定于应用的电源驱动器。可配置电源管理器包含一个多模式开关电源转换器，允许使用降压转换器拓扑为 IC 和电机驱动电路供电。片上线性稳压器提供 IC 电源轨，电源管理功能控制可用的睡眠和休眠模式。设计人员可以针对运行时和待机模式优化电源管理器。PAC 非常小的待机电流使电池供电工具在不使用时具有非常长的电池寿命。在始终连接到交流电的设备（如白色家电）中，电源管理器可以帮助确定能源之星评级。

图 2显示了用于驱动 BLDC 电机的 Qorvo PAC5556 的简化图。

图 2：该图提供了用于控制 BLDC 电机的 Qorvo PAC5556 的简化图。（来源：Qorvo）

为了帮助原型设计和开发过程，可以使用基于 Qorvo PAC5556 的评估板。Qorvo PAC5556EVK1是用于 PAC5556 的完整的全功能评估和原型设计平台（图 3）。该评估板支持多达三个额定电压高达 220V AC或 450V DC的半 H 桥逆变器的栅极驱动。与计算机的虚拟 COM 端口连接以及基于 GUI 的软件套件允许配置和控制在 PAC5556EVK1 上运行的任何应用程序。

图 3：Qorvo PAC5556EVK1 评估板。（来源：Qorvo）

结论

无刷直流电机已成为广泛用于消费和工业设备的流行选择。随着无刷电机被纳入更广泛的应用范围，快速设计、原型和测试电机控制器的能力是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 电源应用控制器满足了紧凑型电源控制解决方案的需求，可降低消费和工业电机应用中的能耗、体积和噪声。该设计还满足更严格的电路板空间要求，并将 BOM 成本降至最低。

审核编辑：汤梓红