【導讀】電機最早出現在十八世紀
，之後迅速全麵普及

，根據國際能源署 IEA-4E 組織 EMSA 數據
，其消耗了全球生產能源的一半以上，數據來源：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” 控製就可以做到這一點，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 規定了由電網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 估計這個家裏可能有 14 台有刷直流電機
、26 台無刷直流電機、48 台交流感應電機和 4 台通用交流-直流電機。總共有 31 個電池供電和 61 個電網供電。

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，它們幾乎與交流驅動同頻或是其的倍頻。

danxiangdianjixuyaoteshudeqidongfangfa
，xiaolvbugao，danyongtuguangfan
，ersanxiangdianjizhichiziqidong，yunxingxiaolvgenggao，shijiaoliuganyingdianjifeichangshihebenghefengshandenghengdingfuzai/速度應用。

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

對dui於yu直zhi流liu或huo通tong用yong交jiao流liu轉zhuan直zhi流liu電dian源yuan，電dian機ji旋xuan轉zhuan時shi，其qi電dian刷shua通tong過guo依yi次ci給gei線xian圈quan通tong電dian來lai強qiang製zhi換huan向xiang和he旋xuan轉zhuan。這zhe些xie電dian機ji成cheng本ben低di
，性xing能neng優you，啟qi動dong轉zhuan矩ju大da
，因yin此ci在zai小xiao型xing工gong具ju和he電dian器qi中zhong很hen受shou歡huan迎ying。

raner，dianshuaqueshihuimosun
，erqietongchangchanshenggaoyadianhuheketingzaoyin。tongguogaibianzhiliuhuojiaoliudianyuandianya，huotongguojiaoliuxiangweijiaokongzhilaishixianjuyoukexuanbihuantiaojiedesudukongzhi，zhexietongchangxiaolvjiaocha，danweilicixianquanfenjiekaiguantigonglekeneng。

目前常用的電機類型是無刷直流電機 (BLDC)，是基於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（交頻驅動）提供多相交流電源，但確實可提供速度和轉矩控製，並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 (輸入經整流和功率因數校正後作為 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

現在來觀察分析 BLDC 電機及其驅動

，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 電機與驅動開關的順序

施加電壓存在一定的 “死區” 時間
，原因在於開關的橋式布局（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，轉子角度、速度和電流的反饋可用於控製轉矩和轉矩波動，這會導致不必要的振動。

圖 3. BLDC 電機有三相橋式開關驅動，以 Qorvo SiC FET為例

如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)反(fan)饋(kui)，電(dian)機(ji)將(jiang)旋(xuan)轉(zhuan)達(da)到(dao)係(xi)統(tong)延(yan)遲(chi)和(he)線(xian)圈(quan)電(dian)感(gan)允(yun)許(xu)的(de)最(zui)大(da)速(su)度(du)，隨(sui)著(zhe)轉(zhuan)速(su)增(zeng)加(jia)，每(mei)一(yi)個(ge)較(jiao)短(duan)周(zhou)期(qi)的(de)開(kai)關(guan)動(dong)作(zuo)都(dou)會(hui)降(jiang)低(di)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)使(shi)轉(zhuan)矩(ju)減(jian)小(xiao)。

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

這些定義了驅動所需的電壓和頻率範圍
，及其峰值和連續額定功率，包括故障和過載。

控製器獲取相應的反饋和狀態信息
，並通過算法根據時序和載波頻率調製向開關提供優化的柵極驅動信號，以設定速度和轉矩。

BLDC電機的控製

三相 BLDC 電機可以將線圈分段控製，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），其過零點可用於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於梯形反電動勢。

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 驅動調製都會設置為分別與梯形或正弦匹配，以獲得最佳性能。

六步梯形波控製更容易實現，能夠以高轉矩啟動，並適用於非常高的速度，比如在電動工具中就很有用。

基本形式的 PMSM
，其製造成本較高，啟動轉矩較低，驅動更複雜，但速度控製更穩定，適合換氣風扇等應用。

有些方案從梯形波驅動啟動，並隨電機旋轉切換到正弦驅動


，為了獲得最佳性能，可將光學編碼器或旋轉變壓器用於 PMSM，以取代霍爾傳感器。

磁場定向貨矢量控製

為了利用 PMSM 實現更優性能
，可以使用 “矢量” 或 “磁場定向控製” (FOC)。

對於使用能耗更低的小型電機，這有助於實現零速滿轉矩啟動、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 “無傳感器” 方案
，通過電機特性模型使用繞組電流和電壓。

然而，FOC（磁場定向控製）很hen複fu雜za，需xu要yao較jiao強qiang的de數shu字zi處chu理li能neng力li，問wen題ti在zai於yu啟qi動dong時shi無wu法fa獲huo取qu轉zhuan子zi位wei置zhi信xin息xi，因yin此ci，在zai傳chuan感gan器qi提ti供gong有you效xiao反fan饋kui之zhi前qian，通tong常chang會hui應ying用yong開kai環huan初chu始shi驅qu動dong。為wei了le提ti供gong出chu色se的de性xing能neng，FOC 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，然後使用 “帕克變換” 和旋轉角度計算旋轉坐標，從而得出控製參數
、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) 控製器。

該信號通過反向克拉克和帕克變換過程，為橋式驅動電路中的開關產生驅動信號，應用 PWM 以形成正弦電流，其有效值對應於所需轉矩。圖 5 為該方案示意圖。

圖 5. BLDC 電機的 “矢量” 或 FOC 控製。

Qorvo的BLDC電機控製解決方案

驅動 BLDC 電機以獲得最佳性能的所有複雜性操作，包括磁場定向控製，現在可以在 Qorvo 的 PAC5xxx 係列電源應用控製器（PACTM) 中實現。該單芯片解決方案包括所有可能需要的控製參數的接口
，並提供高達 600V 額定電壓且具有高峰值電流的驅動能力，以滿足電池供電和電網整流供電的要求。

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

圖 6. Qorvo 的 PACTM 係列 BLDC 控製器

PAC5xxx 係列基於 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)
；或基於 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關和線性穩壓器
，節省了電路板空間和 BOM 成本。可配置模擬前端 (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 係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。

為了展示這些控製器的功能，Qorvo PAC5223 芯片為無人機電機驅動等應用提供了參考設計
，是一個 “微型” FOC 解決方案，尺寸隻有 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 如何用於電動工具，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. 用於電動工具的 Qorvo BLDC 電機驅動參考設計
，峰值功率為 300W

Qorvo 的 PAC 係列芯片是硬件生態係統的一部分，還具有完整的數據手冊
、參考軟件、可配置圖形界麵和用戶指南
、應用筆記和軟件開發套件。

結論

在價格敏感的電動工具、小家電和無人機應用中，因為複雜的驅動和傳感係統阻礙 BLDC 電機的應用
，而這些電機在尺寸、重量

、轉矩和可控性方麵具有強大的優勢。

現在，Qorvo 在其 PACTM 器(qi)件(jian)係(xi)列(lie)中(zhong)提(ti)供(gong)的(de)集(ji)成(cheng)驅(qu)動(dong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)以(yi)低(di)成(cheng)本(ben)，高(gao)性(xing)能(neng)控(kong)製(zhi)器(qi)打(da)破(po)了(le)這(zhe)一(yi)障(zhang)礙(ai)，再(zai)加(jia)上(shang)全(quan)方(fang)位(wei)的(de)支(zhi)特(te)，在(zai)終(zhong)端(duan)產(chan)品(pin)中(zhong)實(shi)施(shi)將(jiang)會(hui)更(geng)輕(qing)鬆(song)快(kuai)捷(jie)。

本文作者：Jose Quinones，Qorvo 應用工程師

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片

、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

使用集成MOSFET限製電流的簡單方法

如何通過優化模塊布局解決芯片縮小帶來的電氣性能挑戰

為工業設備“治未病”開良方，ADI OtoSense智能電機傳感器方案加速運維數智化轉型

如何根據額定電壓為RS-232、RS-485和CAN選擇TVS二極管

功率分析儀測電流那些事兒