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利用Qorvo PAC5556應對BLDC控制器設計挑戰(zhàn)

發(fā)布時間:2022-06-09 來源:Qorvo 責任編輯:wenwei

【導讀】眾多消費類和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無刷直流電機。構建適用于 BLDC 的控制器需要幾個關鍵功能,而它們?nèi)空系搅?Qorvo 單封裝 PAC5556 功率應用控制器? (PAC?) 中。


無刷電機獲得青睞


無刷直流 (BLDC) 電機已成為各種電池供電和線路供電設備與電器的默認電機選擇。與有刷直流電機相比,無刷直流電機更可靠,需要更少的維護,而且應用行業(yè)廣泛了解如何使用簡單的微控制器算法進行控制。在當今復雜先進的控制應用中,有刷電機產(chǎn)生的電氣噪聲過多,這意味著設計人員需要采用大量電磁抗干擾技術?,F(xiàn)在有刷電機產(chǎn)生的可聽噪聲屬于不利因素,特別是便攜式電池供電電器,如真空吸塵器和個人電動工具,包括線鋸和電鉆/電動螺絲刀等。


制造商利用轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸上的固定永磁體和電機殼內(nèi)部的一系列勵磁繞組(通常是三個)來制造無刷直流電機。依次通過三個勵磁繞組切換電流,使驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動??刂泼}沖寬度和每個勵磁線圈驅(qū)動器的開關頻率,可以控制電機速度、加速度和輸出扭矩。需要將轉(zhuǎn)子的運行狀態(tài)閉環(huán)反饋給三相電機控制算法,以嚴密監(jiān)視和控制驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的當前狀態(tài)。提供這種反饋的兩個最常用方法是:


●    將編碼盤或其他形式的旋轉(zhuǎn)傳感器附加到轉(zhuǎn)子軸上。

●    感應轉(zhuǎn)子永磁體在勵磁繞組內(nèi)引起的反向電磁場。磁場定向控制 (FOC) 是指使用感應磁場電壓。


無傳感器方法有助于提高整體電機可靠性和降低物料清單 (BOM) 成本。


BLDC 電機控制器的架構


如前所述,無刷電機控制器需要三個不同的電路功能。這三個不同的電路功能通過以下組件實現(xiàn):


●    運行電機控制算法的微控制器

●    提供開關信號的脈寬調(diào)制 (PWM) 電路

●    驅(qū)動電機的功率輸出級


模數(shù)功能將軸旋轉(zhuǎn)傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字域,由微控制器進行處理。在設計嵌入式電機控制器時,可以考慮幾種設計。有助于形成嵌入式電機控制器整體設計的初始因素:


●    所需的功率/扭矩

●    電源

●    軸速度


當今注重從原型快速實現(xiàn)生產(chǎn)的趨勢,使得設計工程師開發(fā)自定義控制器時不會去采用分立部件。較常用的設計方法是使用現(xiàn)成的微控制器來運行控制算法。大多數(shù)微控制器除了不同的外設接口選項、時鐘和定時器外,還包含各種 ADC/DAC 轉(zhuǎn)換功能。一個配備適當?shù)奈⒖刂破骺赡芴峁┐蟛糠炙桦娐饭δ堋H欢?,許多微控制器往往不會針對電機控制應用進行優(yōu)化或包含必要的半/全 H 橋電機驅(qū)動功能。此外,能源管理也是當今大多數(shù)應用的一個必要功能,在電機控制應用中尤其重要,對于此類應用,能效評級通常是客戶的關鍵選擇標準。還有電源管理 IC,但這需要工程團隊將其他 IC 集成到設計中,從而會提高 BOM 成本和電路板空間要求。


隨著越來越多基于消費類和工業(yè)電機的電器采用無刷直流電機設計,需要一種包含所有必要功能的設備,為此 Qorvo 開發(fā)出全功能電源應用控制器 (PAC?)。Qorvo 的 PAC5556 電源應用控制器? (PAC?) 在單個緊湊型封裝內(nèi)集成了所有必需的模擬、電源管理和柵極驅(qū)動信號源。


無刷直流 (BLDC) 電機已成為各種電池供電和線路供電設備與電器的默認電機選擇。


Qorvo PAC5556 簡介


Qorvo PAC5556 電源應用控制器? (PAC?) 采用纖薄的 QFN-52 封裝,支持高達 600VDC 的電機工作,并集成了一系列所有 BLDC 或智能能源應用所需的各種功能和特性(圖 1)。高度集成的 PAC 架構使 Qorvo PAC5556 特別適合 PCB 尺寸不斷縮小的應用,如白色家電、壓縮機和電動工具。


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圖 1:圖中顯示 Qorvo PAC5556 電源應用控制器的簡化功能框圖。


該設備的核心是具有 128kB 用戶可編程閃存的 150MHz 32 位 Arm? Cortex?-M4F 微控制器內(nèi)核。嵌套矢量中斷控制器 (NVIC) 能夠容納多達 25 個外部中斷,可提供喚醒功能,使設備能夠從不同的睡眠模式中恢復工作。24 位實時時鐘的時鐘門控允許低功耗運行。微控制器單元 (MCU) 也集成了高速 12 位 ADC。PAC5556 的 Arm? Cortex?-M4F 微控制器內(nèi)核針對小端字節(jié)序操作而配置,包括乘法和除法的硬件支持、DSP 指令和 IEEE754 單精度浮點單元 (FPU)。集成的 FPU 支持復雜的高分辨率控制算法,如用于 FOC 的算法。此 MCU 的高性能特性使設計工程師能夠在應用中輕松實現(xiàn)復雜的實時算法、安全軟件和診斷。


脈寬調(diào)制 (PWM) 引擎為電機柵極驅(qū)動器提供驅(qū)動信號。PWM 引擎包括四個 16 位定時器和 32 個通道,具有低至 10ns 的精密電機控制功能。


PAC5556 的模擬前端高度可配置,并提供差分和單端可編程增益放大器、6 個比較器、10 位 DAC、可編程過電流保護、集成 VM ADC 采樣,以及用于可互連和可編程信號采樣、反饋放大和多個模擬輸入信號的傳感器監(jiān)控的 I/O。這些模擬功能使該設備適用于磁場定向控制或基于傳感器的 BLDC 控制應用。


Qorvo PAC5556 還包括一個可配置電源管理器和特定應用功率驅(qū)動器。可配置電源管理器包含一個允許 IC 和電機驅(qū)動器電路使用降壓轉(zhuǎn)換器拓撲供電的多模式開關電源轉(zhuǎn)換器。片上線性穩(wěn)壓器提供 IC 供電軌,電源管理功能控制可用的睡眠和休眠模式。設計人員可優(yōu)化電源管理器的運行時和待機模式。PAC 的待機電流很小,因此電池供電工具在不使用時,電池使用壽命很長。在始終連接至交流電的設備(如白色家電)中,電源管理器可以幫助達到能源之星評級要求。功率驅(qū)動器塊提供了所有必要的高端和低端柵極驅(qū)動器,適用于各種電機驅(qū)動配置,包括半橋和全 H 橋。


用于驅(qū)動 BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 簡化電路圖如圖 2 所示。


眾多消費類和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無刷直流電機。


11.png圖 2:用于控制 BLDC 電機的 Qorvo PAC5556 簡化電路圖。


為幫助進行原型制作和開發(fā)工作,提供了基于 Qorvo PAC5556 的評估板。Qorvo PAC5556EVK1 是用于 PAC5556 的完整全功能評估和原型制作平臺(圖 3)。該評估板支持多達三個額定值達 220VAC 或 450VDC 的半 H 橋逆變器的柵極驅(qū)動。通過與計算機的虛擬 COM 端口連接以及基于 GUI 的軟件套件,可配置和控制在 PAC5556EVK1 上運行的所有應用。


12.jpg

圖 3:Qorvo PAC5556EVK1 評估板。


結(jié)論


眾多消費類和工業(yè)電器中都普遍選擇使用無刷直流電機。隨著無刷電機的應用范圍更加廣泛,快速設計、原型制作和測試電機控制器的能力成為加快整個產(chǎn)品設計過程的關鍵。因此,設計工程師需要一種在單個封裝內(nèi)集成所有必需的模擬、電源管理和柵極驅(qū)動信號源的設備。高度集成的 Qorvo PAC5556 電源應用控制器能夠滿足緊湊型功率控制解決方案的需求,可減少消費類和工業(yè)電機應用的能耗、尺寸和噪聲。該設計也滿足更嚴格的電路板空間要求,并保持最低的 BOM 成本。



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