無刷直流電機及其驅(qū)動：設計考慮因素和挑戰(zhàn)

本文作者Jose Quinones，Qorvo 應用工程師

電機的應用非常廣泛，而正確選擇類型及其相應的驅(qū)動并非易事

電機最早出現(xiàn)在十八世紀，之后迅速全面普及，根據(jù)國際能源署 IEA-4E 組織 EMSA 數(shù)據(jù)，其消耗了全球生產(chǎn)能源的一半以上，數(shù)據(jù)來源：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，來自為其提供動力的電力，因此任何能夠提高電機運行效率的技術方法都會受市場歡迎。

“智能” 控制就可以做到這一點，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)境影響或延長電池壽命。

此外還通過立法促使解決這個問題。例如，IEC 60034-30-1 規(guī)定了由電網(wǎng)側供電的交流電機應達到的能效等級。

常用的電機類型

根據(jù)應用場景的不同，使用的電機類型也各種各樣。

以一個典型的西方富裕家庭為例，Qorvo 估計這個家里可能有 14 臺有刷直流電機、26 臺無刷直流電機、48 臺交流感應電機和 4 臺通用交流-直流電機?？偣灿?31 個電池供電和 61 個電網(wǎng)供電。

交流感應電機相對簡單且可靠，因此在家用市場和工業(yè)領城均占主導地位。

正常情況下，它們成本低，沒有電刷磨損，速度有一些 “轉速差”，也就是說，它們幾乎與交流驅(qū)動同頻或是其的倍頻。

單相電機需要特殊的啟動方法，效率不高，但用途廣泛，而三相電機支持自啟動，運行效率更高，使交流感應電機非常適合泵和風扇等恒定負載/速度應用。

如果需要變速，可以使用變頻驅(qū)動(VFD)，但在 “標準” 電機中添加變頻驅(qū)動功能時，可能會出現(xiàn)絕緣應力、EMI 和共模電流流過電機本體等問題。

對于直流或通用交流轉直流電源，電機旋轉時，其電刷通過依次給線圈通電來強制換向和旋轉。這些電機成本低，性能優(yōu)，啟動轉矩大，因此在小型工具和電器中很受歡迎。

然而，電刷確實會磨損，而且通常產(chǎn)生高壓電弧和可聽噪音。通過改變直流或交流電源電壓，或通過交流相位角控制來實現(xiàn)具有可選閉環(huán)調(diào)節(jié)的速度控制，這些通常效率較差，但為勵磁線圈分接開關提供了可能。

目前常用的電機類型是無刷直流電機 (BLDC)，是基于有刷直流電機改進而來，可以去除電刷。

此類電機的性能更好，效率更高，壽命更長。

缺點是必須由 VFD（交頻驅(qū)動）提供多相交流電源，但確實可提供速度和轉矩控制，并根據(jù)負載要求調(diào)整這些參數(shù)，從而節(jié)省能源、提升工藝效率，以上這些優(yōu)點可以迅速抵消 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(shù)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（來源：Groschopp）

上述部分電機類型的主要特性如圖 1 所示，所有電機的物理尺寸相同。

BLDC 電機

現(xiàn)在來觀察分析 BLDC 電機及其驅(qū)動，圖2 顯示了三相電機的線圈通電順序。

圖2. 一個簡單的三相BLDC電機與驅(qū)動開關的順序

施加電壓存在一定的 “死區(qū)” 時間，原因在于開關的橋式布局（圖 3）可以是 IGBT 或 MOSFET，但越來多的使用 SiC FET 這樣的寬帶隙器件（如圖所示）。當電機旋轉時，開關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，這會導致不必要的振動。

圖 3. BLDC 電機有三相橋式開關驅(qū)動，以 Qorvo SiC FET為例

如果沒有反饋，電機將旋轉達到系統(tǒng)延遲和線圈電感允許的最大速度，隨著轉速增加，每一個較短周期的開關動作都會降低峰值電流，從而使轉矩減小。

在實現(xiàn) BLDC 電機控制的過程中涉及許多變量，包括所需的最大和間歇轉矩、功率、速度范圍、工作電壓、反饋傳感器類型及其電壓等級等等。

這些定義了驅(qū)動所需的電壓和頻率范圍，及其峰值和連續(xù)額定功率，包括故障和過載。

控制器獲取相應的反饋和狀態(tài)信息，并通過算法根據(jù)時序和載波頻率調(diào)制向開關提供優(yōu)化的柵極驅(qū)動信號，以設定速度和轉矩。

BLDC 電機的控制

三相 BLDC 電機可以將線圈分段控制，任何時候都保持兩個線圈通電，第三個線圈 “懸空”。懸空繞組以梯形波形顯示反電動勢（圖4，左），其過零點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，這種響應很難通過傳統(tǒng)的無傳感器算法獲得。

從機械角度看，分離式線圈是非常簡單的布局，但確實會產(chǎn)生一些轉矩波動。

如果將線圈繞在定子周圍，反電動勢可以是正弦波（圖 4，右)，理論上沒有轉矩波動。

圖 4. BLDC 和永磁同步電機的反電動勢和 PWM 驅(qū)動波形

在實踐中，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候都要通電，因此浮動繞組的位置信息不可用，通常需要一個單獨的軸傳感器。

無論哪種情況，PWM 驅(qū)動調(diào)制都會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現(xiàn)，能夠以高轉矩啟動，并適用于非常高的速度，比如在電動工具中就很有用。

基本形式的 PMSM，其制造成本較高，啟動轉矩較低，驅(qū)動更復雜，但速度控制更穩(wěn)定，適合換氣風扇等應用。

有些方案從梯形波驅(qū)動啟動，并隨電機旋轉切換到正弦驅(qū)動，為了獲得最佳性能，可將光學編碼器或旋轉變壓器用于 PMSM，以取代霍爾傳感器。

磁場定向或矢量控制

為了利用 PMSM 實現(xiàn)更優(yōu)性能，可以使用 “矢量” 或 “磁場定向控制” (FOC)。

對于使用能耗更低的小型電機，這有助于實現(xiàn)零速滿轉矩啟動、平穩(wěn)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 “無傳感器” 方案，通過電機特性模型使用繞組電流和電壓。

然而，F(xiàn)OC（磁場定向控制）很復雜，需要較強的數(shù)字處理能力，問題在于啟動時無法獲取轉子位置信息，因此，在傳感器提供有效反饋之前，通常會應用開環(huán)初始驅(qū)動。為了提供出色的性能，F(xiàn)OC 需要從轉子位置和繞組電流中得出磁鏈和轉矩值。

通過 “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(shù)、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。

該信號通過反向克拉克和帕克變換過程，為橋式驅(qū)動電路中的開關產(chǎn)生驅(qū)動信號，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(qū)動 BLDC 電機以獲得最佳性能的所有復雜性操作，包括磁場定向控制，現(xiàn)在可以在 Qorvo 的 PAC5xxx 系列電源應用控制器（PACTM) 中實現(xiàn)。該單芯片解決方案包括所有可能需要的控制參數(shù)的接口，并提供高達 600V 額定電壓且具有高峰值電流的驅(qū)動能力，以滿足電池供電和電網(wǎng)整流供電的要求。

固件可以遠程配置和更新，還包括一個 “自動調(diào)試” 模式，可針對特定的電機進行微調(diào)操作。

圖6. Qorvo 的PACTM 系列BLDC控制器

PAC5xxx 系列基于 Arm Cortex-M4F 內(nèi)核，運行頻率為 150Mhz，搭載 32kB SRAM 和 128kB 閃存，配備 12 位 2.5MSPS 模數(shù)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(nèi)部開關和線性穩(wěn)壓器，節(jié)省了電路板空間和 BOM 成本?？膳渲?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬前端 (CAFE）包括單端和差分可編程增益運算放大器、比較器、數(shù)模轉換器和 I/O 電路。

具有可互連和可編程的信號采樣、反饋放大以及多個模擬輸入信號的傳感器監(jiān)測功能。

低功率等級版本型號 PAC5285 還集成了功率 MOSFET，形成一個驅(qū)動橋，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，包括過電流、過電壓、欠電壓和超溫保護。

為了展示這些控制器的功能，Qorvo PAC5223 芯片為無人機電機驅(qū)動等應用提供了參考設計，是一個 “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。

另一個參考設計 RD5223PT 展示了 PAC5223 如何用于電動工具，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. 用于電動工具的QorvoBLDC 電機驅(qū)動參考設計，峰值功率為300W

Qorvo 的 PAC 系列芯片是硬件生態(tài)系統(tǒng)的一部分，還具有完整的數(shù)據(jù)手冊、參考軟件、可配置圖形界面和用戶指南、應用筆記和軟件開發(fā)套件。

結論

在價格敏感的電動工具、小家電和無人機應用中，因為復雜的驅(qū)動和傳感系統(tǒng)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(xiàn)在，Qorvo 在其 PACTM 器件系列中提供的集成驅(qū)動解決方案以低成本，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)品中實施將會更輕松快捷。

本文來源：PSD 2022 年 11/12 月刊 P.32-35