無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動器的設(shè)計挑戰(zhàn)與注意事項

1 簡介

（利用電力）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動是18 世紀(jì)進(jìn)行的首批電力實驗之一——所發(fā)明的“電動旋轉(zhuǎn)”裝置實際上是一種靜電反應(yīng)電機(jī)，當(dāng)時也只是被視為一種新奇的事物。如今，根據(jù)“4E 電機(jī)系統(tǒng)報告附件”（EMSA）^[1]的數(shù)據(jù)，全球發(fā)電量的53% 由電機(jī)消耗。國際能源署（IEA）的另一份報告指出，電力成本通常構(gòu)成了電機(jī)生命周期成本的95%。如果用戶改用最高效的電機(jī)和驅(qū)動器，全球電力需求到2030 年可減少24-42 太瓦時（TWh），相當(dāng)于減少16-26 千兆噸（Gt）二氧化碳排放。根據(jù)2020 年的市場分析，這一市場價值近1420 億美元，預(yù)計年復(fù)合增長率為6.4%^[2]。

因此，無論從資本支出回報、運營成本，還是環(huán)境負(fù)擔(dān)的長遠(yuǎn)角度考慮，我們都有充分的動力更新并采用性能最佳的智能電機(jī)控制器。此外，監(jiān)管方面也面臨著改進(jìn)的壓力，與效率相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)正在實施，例如針對線控交流電機(jī)的IEC 60034-30-1，按效率高低將等級劃分為IE1 至IE4。然而，理想的電機(jī)取決于具體應(yīng)用，并且有一個可供選擇的范圍。Qorvo [4] 估計，在典型的西方富裕家庭，可能有48 臺感應(yīng)電機(jī)、14 臺有刷直流電機(jī)、4 臺通用交流- 直流電機(jī)和26 臺無刷直流電機(jī)?？偣灿?1 個線路供電和31 個電池供電。

2 電機(jī)的分類

交流感應(yīng)電機(jī)在包括工業(yè)在內(nèi)的整個市場中占主導(dǎo)地位，份額約為70%；以略低于供電線路交流頻率的固定倍數(shù)的值“打滑”運行。單相電機(jī)用途廣泛，但效率不高，需要借助電容器、開關(guān)或繼電器的特殊啟動模式。相比之下，三相電機(jī)功率更大、效率更高，且能夠自啟動。交流感應(yīng)電機(jī)非?？煽坑殖杀镜土渥詈唵蔚男问絻H適用于恒速/ 恒載應(yīng)用，如風(fēng)扇和泵。在需要變速和變矩的情況下，可以選擇變頻驅(qū)動器（VFD）來驅(qū)動；這樣可以使過程控制更為高效，用途更加廣泛。理論上，VFD可以加裝到任何交流同步或異步電機(jī)上，但在實際應(yīng)用中，如果不采取預(yù)防措施，它們會給絕緣效果帶來壓力，產(chǎn)生過多的EMI 并引起共模電流和相關(guān)磨損。

真正的不“打滑”的同步電機(jī)也是一種選擇，例如繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī)（WRSM）或同步磁阻電機(jī)（SyRM）；此種電機(jī)效率高，但成本也較高，應(yīng)用不太廣泛。

“自換向”電機(jī)不直接依賴交流電源逐步旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生吸引力和排斥力來隨之轉(zhuǎn)動。這類電機(jī)通常使用“電刷”，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時依次給轉(zhuǎn)子上的線圈通電，從而保持持續(xù)的旋轉(zhuǎn)扭矩。在該類別中，有刷直流或通用交直流類型的電機(jī)性能良好、結(jié)構(gòu)緊湊，且啟動扭矩大，初始成本低。因此，它們在包括小家電和工具在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中很受歡迎。其缺點在于需要對磨損的電刷進(jìn)行維護(hù)，還通常會產(chǎn)生較高的聲學(xué)和電氣噪音。有刷電機(jī)的速度控制相對簡單，最高可達(dá)數(shù)萬RPM；但在直流電源的條件下，其控制方式通常效率較低，只采用“線性”穩(wěn)壓器或“直流斬波器”降低電壓。對于使用交流電源的有刷電機(jī)，速度同樣由所施加的電壓控制，因此相位角控制通常使用三端雙向可控硅，或者通過切換勵磁線圈抽頭進(jìn)行粗略控制。直流和交流有刷電機(jī)都可以利用從傳感器反饋至輸入電壓的閉環(huán)控制，來實現(xiàn)隨負(fù)載變化的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

為了追求更高的效率、性能和更長的壽命，無刷直流（BLDC）電機(jī)脫穎而出。這些類型的電機(jī)通常有定子線圈和轉(zhuǎn)子磁鐵，需要可變電壓和頻率的多相交流電源才能運行，也就是VFD 的一種。這可能會增加初始成本，但因其性能優(yōu)勢和節(jié)能效果（效率可能超過96%），可以快速收回成本，同時維護(hù)費用非常低且使用壽命長。定子線圈驅(qū)動電子器件可使用電池作為便攜式設(shè)備（如工具）的電源，也可以使用具有功率因數(shù)校正（PFC）的升壓電源（適用于較大的電器）。由于設(shè)備的可控性和能效要求越來越高，BLDC 電機(jī)的潛在市場十分廣闊，因此必要驅(qū)動電路的集成度和成本效益也越來越高。圖1 比較了一家制造商某些相同物理尺寸電機(jī)類型的簡要特性。

圖1 一家制造商的電機(jī)性能比較

（資料來源：Groschopp）

3 無刷直流電機(jī)：一探究竟

現(xiàn)在，我們將細(xì)致研究BLDC 電機(jī)，特別是為定子繞組產(chǎn)生多相交流電所需的電子器件，以及如何實施控制以獲得最佳性能。

三相BLDC 的外形如圖2 所示；圖中顯示了“梯形”模式驅(qū)動下三個線圈的電壓施加時序。驅(qū)動通常由六個半導(dǎo)體開關(guān)組成，通常為MOSFET 或橋接配置的SiCFET等帶隙越來越寬的器件；其提供六個電壓組合，每個相位之間有適當(dāng)?shù)摹八绤^(qū)”時間，以避免“上下橋直通”（圖2）。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360 度時，相位切換通過軸上的傳感器或其它方式觸發(fā)，并依次啟動。在沒有反饋的情況下，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由電源電壓、轉(zhuǎn)子位置檢測與評估所導(dǎo)致的延遲，以及繞組電感決定。隨著轉(zhuǎn)速的增加和外加電壓持續(xù)時間的縮短，電感會限制可達(dá)到的峰值電流，從而讓扭矩逐漸降低。通過轉(zhuǎn)子角度、速度和線圈電流的反饋，控制器必須精確把握正確的切換時點，以最大限度地提高扭矩，并將扭矩紋波（每轉(zhuǎn)會產(chǎn)生多次周期性驟降，從而引起振動）降至最低。

圖2 三相無刷直流電機(jī)的外形和所需驅(qū)動電壓時序；此處所示為線圈的“梯形”模式驅(qū)動排列

基于不同的應(yīng)用，可根據(jù)連續(xù)最大、間歇扭矩以及速度要求等參數(shù)選擇不同的BLDC。BLDC 的優(yōu)點在于最大扭矩與速度無關(guān)。額定功率和工作電壓將被指定；其它參數(shù)可能包括繞組和傳感器的絕緣額定值（以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)），以及內(nèi)置位置傳感器的類型（如有）。上述特性確定了BLDC 驅(qū)動器在輸出電壓范圍、頻率范圍（確定速度）和電流能力（包括過載條件）方面的性能要求。驅(qū)動器的控制器需要這些參數(shù)按比例縮放，并且必須根據(jù)可用的轉(zhuǎn)子位置傳感器類型進(jìn)行設(shè)置。控制器軟件中的算法基于重復(fù)率優(yōu)化驅(qū)動信號到功率級的時間，以設(shè)置速度和脈沖寬度調(diào)制來設(shè)置扭矩。下面，我們將討論可使用的換向方法和位置傳感技術(shù)，以及它們之間的相互作用。

圖3 橋接配置的開關(guān)提供BLDC驅(qū)動電壓；此處所示為Qorvo的SiC-FET開關(guān)產(chǎn)品

4 BLDC電機(jī)控制

首先，可以選擇換向方式，即驅(qū)動定子線圈以確保連續(xù)旋轉(zhuǎn)的模式?！傲教菪尾ā彬?qū)動方式在任何時候都將電流同時通過兩個繞組，并使第三個繞組浮動，顯示反電動勢，以及可用于確定轉(zhuǎn)子位置的過零點。所謂“六步梯形”是指圖2 中所示的六種驅(qū)動狀態(tài)，以及定子繞組的物理集中分布；定子繞組會產(chǎn)生梯形的反EMF（圖4 左）和不可避免的扭矩波動。與此相反，電機(jī)的繞組線圈可以更復(fù)雜的機(jī)械排列方式分布，在這種情況下產(chǎn)生的反EMF 為正弦波（圖4 右）；理論上的零扭矩紋波使其在低速下運行更平穩(wěn)，盡管實際實現(xiàn)中達(dá)到最大值的1% 左右。此種BLDC 電機(jī)被稱為永磁同步電機(jī)（PMSM），其峰值扭矩和功率密度低于梯形換向的BLDC 電機(jī)。PMSM 的所有繞組在任意時刻都被驅(qū)動，因此沒有“浮動”繞組來指示轉(zhuǎn)子位置，而通常需要一個單獨的傳感器。對于這兩種換向方案，功率驅(qū)動器都均以高載波頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM），形成所需的電壓形狀（梯形或正弦），以匹配反EMF 的形狀來獲得最佳性能。PWM 的占空比設(shè)定了整體電壓幅值，從而設(shè)定了扭矩需求。

圖4 BLDC電機(jī)和永磁同步電機(jī)的反EMF波形

電機(jī)換向類型的最佳選擇取決于應(yīng)用，六步梯形換向更容易實現(xiàn)，并能在高扭矩條件下啟動。驅(qū)動器中必須減少開關(guān)損耗，但它適用于電動工具等非常高速的情況。正弦換向電機(jī)成本較高，驅(qū)動算法也更為復(fù)雜，適用于對性能要求較高、啟動扭矩有限，以及需要低速穩(wěn)定運行的場合，例如通風(fēng)扇等。有些驅(qū)動方案采用梯形換向以高扭矩啟動電機(jī)，然后在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時切換至正弦模式。

三個霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器可以與六步梯形換向一起使用；但針對成本敏感型應(yīng)用，可使用反EMF 的零交叉點。對于正弦換向，也可采用更昂貴的光學(xué)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器，以獲得更佳的性能。

圖5 BLDC電機(jī)的FOC或“矢量”控制

5 矢量或磁場定向控制

控制正弦換向BLDC 電機(jī)的一種技術(shù)是矢量或磁場定向控制（FOC）^[3]。FOC 保證在整個速度范圍內(nèi)平穩(wěn)運行，并帶來快速加減速的卓越動態(tài)性能。轉(zhuǎn)子位置可由傳感器確定；也可以通過“無傳感器”方案測量繞組電流和電壓，并結(jié)合電機(jī)特性“模型”來近似確定位置。對終端用戶來說，F(xiàn)OC 的益處在于帶來更高的精度和更小的電機(jī)，以及更低的成本與能耗。然而，F(xiàn)OC比較復(fù)雜，需要電機(jī)控制器具備強(qiáng)大的處理能力。其啟動時無法獲得位置信息，因此有時會使用單獨的開環(huán)驅(qū)動模式來“啟動”電機(jī)，直到傳感器或電流采樣能提供有效反饋。FOC是一種正弦變頻換向方法，可實現(xiàn)在任何條件下均保持轉(zhuǎn)子和定子磁場成90 度的理想狀態(tài)，以獲得最大扭矩，同時在負(fù)載變化的情況下調(diào)節(jié)速度和扭矩。

為達(dá)成這一目標(biāo)，需要對以下兩個參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)和優(yōu)化控制：磁場磁鏈和扭矩。這些參數(shù)必須分離為正交分量（在定子靜態(tài)坐標(biāo)中相差90 度），并可從轉(zhuǎn)子位置和繞組電流中推導(dǎo)出來。三相繞組電流IU、IV、IW首先通過A-D 轉(zhuǎn)換器，然后利用“克拉克（Clarke）”變換法轉(zhuǎn)換為等效的兩相電流Iα 和Iβ。

Iα 和Iβ 相對于定子是靜止的?，F(xiàn)在，我們通過“帕克（Park）”變換法和旋轉(zhuǎn)角得出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)Iq、Id（q = 交軸，d = 直軸），分別代表磁場扭矩和磁鏈。確定Iq和Id后，可將其與目標(biāo)值Iqref 和Idref 比較，以及通常由比例積分（PI）控制器生成的補償誤差信號進(jìn)行比較。輸出的信號與實際值和參考值間的差值成正比，也與差值的積分成正比；結(jié)果是良好的動態(tài)響應(yīng)，幾乎沒有過沖和欠沖?，F(xiàn)在要將補償信號轉(zhuǎn)換回用于電機(jī)繞組的三相驅(qū)動電流，因此要進(jìn)行反向帕克變換和反向克拉克變換，并為功率橋的開關(guān)生成驅(qū)動信號。采用脈寬調(diào)制可獲得正弦驅(qū)動電流；其有效值與所需扭矩相對應(yīng)。圖5 給出了一個典型的FOC 方案框圖。

6 Qorvo BLDC電機(jī)控制解決方案

為BLDC 電機(jī)提供最佳驅(qū)動非常困難，因為需要感測大量參數(shù)和利用復(fù)雜的算法來生成適當(dāng)?shù)亩嘞郟WM波形。在實際應(yīng)用中，電源電壓可以為小型電池工作時的8 V 上下，也可以是家用電器整流和功率因數(shù)校正后的400 V。電機(jī)可能需要能夠反轉(zhuǎn)，也可能內(nèi)置或不內(nèi)置傳感器，而且用戶越來越希望設(shè)備能夠進(jìn)行現(xiàn)場更新，以更改電機(jī)控制特性。幸運的是，目前所有的驅(qū)動和控制功能都可以集成至電源應(yīng)用控制器（Power Application Controller?，PAC）中；例如Qorvo ^[4]公司推出的PAC5xxx 系列產(chǎn)品。這些控制器基于運行頻率為150 MHz 的Arm^? Cortex^?-M4F 內(nèi)核，擁有128 kB閃存和32 kB SRAM 存儲器以及2.5 MSPS 12 位ADC；或運行頻率為50 MHz 的-M0 內(nèi)核，包含32 kB 閃存和8 kB SRAM 以及1 MSPS 10 位ADC（圖6）。

圖6 Qorvo PAC系列BLDC控制器的功能

PAC器件集成了多個傳感器和通信接口，適用于任何BLDC電機(jī)控制應(yīng)用，能夠以“電機(jī)參數(shù)自識別”模式針對特定電機(jī)進(jìn)行配置、任意更新和PWM優(yōu)化，分辨率極高。具有高峰值電流額定值的三相柵極驅(qū)動器集成了電壓額定值高達(dá)600V的高端驅(qū)動器；這在市場上尚屬首次。此外，其還包含內(nèi)部線性和開關(guān)穩(wěn)壓器，以最大限度地減少電路板空間和BOM 成本。可配置模擬前端（CAFE）包括差分可編程增益放大器、單端可編程增益放大器、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、用于可編程和相互連接的信號采樣的I/O、反饋放大，以及多個模擬輸入信號的傳感器監(jiān)控。面向低功耗BLDC 的PAC5285還集成了功率MOSFET，為手持工具和設(shè)備等應(yīng)用構(gòu)建了最緊湊的解決方案。PAC 系列的所有器件都具有全面的保護(hù)功能，包括過流、欠壓、過壓和過熱。

圖7 Qorvo RD5556參考設(shè)計采用SiC FET，適用于600 V/6 kW的應(yīng)用

7 參考設(shè)計簡化新品開發(fā)方案

Qorvo還可提供參考設(shè)計；舉例來說，RD5556展示了Qorvo的PAC5556電機(jī)控制器和碳化硅SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)電源開關(guān)。該設(shè)計可用于高達(dá)600VDC和3 kW的三相電機(jī)控制，例如交流電器中的電機(jī)控制。在工業(yè)領(lǐng)域，這一設(shè)計適用于泵、壓縮機(jī)和風(fēng)扇的電機(jī)控制（圖7）。

Qorvo基于PAC5223器件，面向無人機(jī)電機(jī)驅(qū)動器等應(yīng)用提供了參考設(shè)計； 該器件展示了尺寸僅9 mm×15 mm 的“微型”FOC 解決方案；其輸入電壓為4.5-18 V，輸出電流有效值高達(dá)17 A。另一款參考設(shè)計RD5223PT 演示了PAC5223 如何在電動工具中利用單電阻檢測法；該方案尺寸為24 毫米×10 毫米，可安裝在設(shè)備手柄中。

對于240VAC 應(yīng)用，可在64 mm 直徑的4 層PCB上使用PAC5253，從而獲得水泵用BLDC 電機(jī)的參考設(shè)計，如圖8 所示。

圖8 用于240 VAC水泵的Qorvo BLDC電機(jī)控制器參考設(shè)計

Qorvo 推出的PAC 器件是其硬件和軟件支持生態(tài)系統(tǒng)的一部分，提供了完整的數(shù)據(jù)表、參考手冊、編程GUI 及指南、軟件開發(fā)工具包和應(yīng)用說明。所有參考設(shè)計均擁有原理圖、BOM 及布局圖。

8 結(jié)束語

無刷直流電機(jī)的高效率使其成為小尺寸、低重量、高可控性和高扭矩等應(yīng)用的理想選擇；如家電、電動工具及各種工業(yè)和消費類應(yīng)用。過去，先進(jìn)控制和驅(qū)動裝置的復(fù)雜性及成本一直是BLDC 電機(jī)廣泛應(yīng)用的障礙；而如今，Qorvo 的PAC 系列控制器和SiC FET開關(guān)已成為多功能且經(jīng)濟(jì)高效的集成驅(qū)動解決方案。得益于全面的支持，超高性能BLDC電機(jī)控制器現(xiàn)可以在工業(yè)與消費市場的廣泛應(yīng)用中快速、輕松地實施，從而降低設(shè)計過程的風(fēng)險，并縮短產(chǎn)品上市時間。

參考資料：

[1] https://www.iea-4e.org/emsa/

[2] https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/electric-motor-market

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Vector_control

[4] https://www.qorvo.com

QORVO 和 POWER APPLICATION CONTROLLER是Qorvo US, Inc. 的商標(biāo)。Bluetooth^?字標(biāo)和標(biāo)識是 BluetoothSIG, Inc. 的注冊商標(biāo)，Qorvo US, Inc. 在獲得許可的情況下使用這些標(biāo)識。其他商標(biāo)和商號分別歸屬于各自所有者。

（本文來源于《EEPW》2024.1-2）