浅析Qorvo的BLDC电机控制解决方案

来源：半岛在线登录官网    发布时间：2024-03-11 12:40:14

  电机最早出现在十八世纪，之后迅速全面普及，根据国际能源署 IEA-4E 组织 EMSA 数据，其消耗了全球生产能源的一半以上，数据来源：。国际能源署（IEA) 也表示，通常 95% 的电机生命周期成本，来自为其提供动力的电力，因此任何可提升电机运行效率的技术方法都会受市场欢迎。

  “智能” 控制就能做到这一点，它不仅使电机在工作中灵活性更好、高效，还能降低运行成本和能源消耗，减少环境影响或延长电池寿命。

  此外还通过立法促使解决这一个问题。例如，IEC 60034-30-1 规定了由电网侧供电的交流电机应达到的能效等级。

  以一个典型的西方富裕家庭为例，Qorvo估计这个家里可能有 14 台有刷直流电机、26 台无刷直流电机、48 台交流感应电机和 4 台通用交流-直流电机。总共有 31 个电池供电和 61 个电网供电。

  正常情况下，它们成本低，没有电刷磨损，速度有一些 “转速差”，也就是说，它们几乎与交流驱动同频或是其的倍频。

  单相电机需要特殊的启动方法，效率不高，但用途广泛，而三相电机支持自启动，运行效率更加高，使交流感应电机很适合泵和风扇等恒定负载/速度应用。

  如果需要变速，能够正常的使用变频驱动 (VFD)，但在 “标准” 电机中添加变频驱动功能时，有极大几率会出现绝缘应力、EMI 和共模电流流过电机本体等问题。

  对于直流或通用交流转直流电源，电机旋转时，其电刷通过依次给线圈通电来强制换向和旋转。这些电机成本低，性能优，启动转矩大，因此在小型工具和电器中很受欢迎。

  然而，电刷确实会磨损，而且通常产生高压电弧和可听噪音。通过改变直流或交流电源电压，或通过交流相位角控制来实现具有可选闭环调节的速度控制，这些通常效率较差，但为励磁线圈分接开关提供了可能。

  目前常用的电机类型是无刷直流电机 (BLDC)，是基于有刷直流电机改进而来，可以去除电刷。

  缺点是必须由 VFD（交频驱动）提供多相交流电源，但确实可提供速度和转矩控制，并根据负载要求调整这些参数，从而节省能源、提升工艺效率，以上这些优点可以迅速抵消 VFD 的初始成本。因此，BLDC 电机在电池供电型手持工具以及交流电源 (输入经整流和功率因数校正后作为 VFD 电源）供电的电器中颇受青睐。

  现在来观察分析 BLDC 电机及其驱动，图 2 显示了三相电机的线圈通电顺序。

  施加电压存在一定的 “死区” 时间，原因主要在于开关的桥式布局（图 3）可以是IGBT或MOSFET，但越来多的使用 SiC FET 这样的宽带隙器件（如图所示）。当电机旋转时，开关管的切换由轴传感器或其它方法触发，转子角度、速度和电流的反馈可用于控制转矩和转矩波动，这会导致不必要的振动。

  如果没有反馈，电机将旋转达到系统延迟和线圈电感允许的最大速度，随着转速增加，每一个较短周期的开关动作都会降低峰值电流，从而使转矩减小。

  在实现 BLDC电机控制的过程中涉及许多变量，包括所需的最大和间歇转矩、功率、速度范围、工作电压、反馈传感器类型及其电压等级等等。

  这些定义了驱动所需的电压和频率范围，及其峰值和连续额定功率，包括故障和过载。

  控制器获取相应的反馈和状态信息，并通过算法根据时序和载波频率调制向开关提供优化的栅极驱动信号，以设定速度和转矩。

  三相 BLDC 电机可以将线圈分段控制，任何一个时间里都保持两个线圈通电，第三个线圈 “悬空”。悬空绕组以梯形波形显示反电动势（图 4，左），其过零点可用于确定转子的角度位置，这种方法成本低、精度高，但霍尔效应传感器允许在重载条件下启动，这种响应很难通过传统的无传感器算法获得。

  如果将线圈绕在定子周围，反电动势可以是正弦波（图 4，右)，理论上没有转矩波动。

  这种布局就是 “永磁同步电机”（PMSM)，要求所有的绕组在任何一个时间里都要通电，因此浮动绕组的位置信息不可用，常常要一个单独的轴传感器。

  无论哪种情况，PWM 驱动调制都会设置为分别与梯形或正弦匹配，以获得最佳性能。

  六步梯形波控制更容易实现，能够以高转矩启动，并适用于非常高的速度，比如在电动工具中就很有用。

  基本形式的 PMSM，其制造成本比较高，启动转矩较低，驱动更复杂，但速度控制更稳定，适合换气风扇等应用。

  有些方案从梯形波驱动启动，并随电机旋转切换到正弦驱动，为了获得最佳性能，可将光学编码器或旋转变压器用于 PMSM，以取代霍尔传感器。

  为了利用 PMSM 实现更优性能，能够正常的使用 “矢量” 或 “磁场定向控制” (FOC)。

  对于使用能耗更低的小型电机，这有助于实现零速满转矩启动、平稳运行、快速加速/ 减速和更好的精度。

  传感器能够给大家提供转子位置反馈，或者采用 “无传感器” 方案，通过电机特性模型使用绕组电流和电压。

  然而，FOC（磁场定向控制）很复杂，需要较强的数字解决能力，问题就在于启动时无法获取转子位置信息，因此，在传感器提供有效反馈之前，通常会应用开环初始驱动。为了提供出色的性能，FOC 需要从转子位置和绕组电流中得出磁链和转矩值。

  通过 “克拉克变换” 方法将三相绕组电流转换为两相等效电流，然后使用 “帕克变换” 和旋转角度计算旋转坐标，从而得出控制参数、磁链和转矩。

  该信号通过反向克拉克和帕克变换过程，为桥式驱动电路中的开关产生驱动信号，应用 PWM 以形成正弦电流，其有效值对应于所需转矩。图 5 为该方案示意图。

  驱动 BLDC 电机以获得最佳性能的所有复杂性操作，包括磁场定向控制，现在可以在 Qorvo 的 PAC5xxx 系列电源应用控制器（PACTM) 中实现。该单芯片解决方案包括所有在大多数情况下要的控制参数的接口，并提供高达 600V 标称电压且具有高峰值电流的驱动能力，以满足电池供电和电网整流供电的要求。

  固件可以远程配置和更新，还包括一个 “自动调试” 模式，可针对特定的电机进行微调操作。

  这些方案包括内部开关和线性稳压器，节省了电路板空间和 BOM 成本。可配置模拟前端 (CAFE）包括单端和差分可编程增益运算放大器、比较器、数模转换器和 I/O 电路。

  具有可互连和可编程的信号采样、反馈放大以及多个模拟输入信号的传感器监测功能。

  低功率等级版本型号 PAC5285 还集成了功率 MOSFET，形成一个驱动桥，为手持设备和工具等 BLDC 应用提供了紧凑型解决方案。

  所有 PACTM 系列器件都具有全国的保护功能，包括过电流、过电压、欠电压和超温保护。

  为了展示这些控制器的功能，Qorvo PAC5223 芯片为无人机电机驱动等应用提供了参考设计，是一个 “微型” FOC 解决方案，尺寸只有 9mm x 15mm，输出电流的有效值高达 17A，输入电压为 4.5V-18V。

  另一个参考设计 RD5223PT 展示了 PAC5223 如何用于电动工具，其PCB尺寸为 60mm x 25mm，可以装配到工具的手柄中。图 7 支持的峰值电流为 25ARMS/300W。所有参考设计都提供原理图、布局图和 BOM。

  图 7. 用于电动工具的 Qorvo BLDC 电机驱动参考设计，峰值功率为 300W

  Qorvo 的 PAC 系列芯片是硬件ECO的一部分，还具有完整的数据手册、参考软件、可配置图形界面和用户指南、应用笔记和软件开发套件。

  在价格敏感的电动工具、小家电和无人机应用中，因为复杂的驱动和传感系统阻碍 BLDC 电机的应用，而这些电机在尺寸、重量、转矩和可控性方面具有强大的优势。

  现在，Qorvo 在其 PACTM 器件系列中提供的集成驱动解决方案以低成本，高性能控制器打破了这一障碍，再加上全方位的支特，在终端产品中实施将会更轻松快捷。

  意法半导体的 STSPIN830 和 STSPIN840 单片电机驱动器集成灵活多变的控制逻辑电路和低导通电阻RDS（ON）的功率开关管，有助于简化7V-45V工作电压的中低功率电机的控制设计，适用于工业制造、医疗技术和家电产品。 STSPIN830三相直流无刷电机驱动器具有模式设置引脚，用户通过设置该引脚可选用U、V和W脉宽调制（PWM）输入信号来控制集成功率级的三个半桥，或向每个栅极单独施加信号获得更高的控制灵活性。逆变器的每个桥臂都有一个电流检测专用引脚，用于简化矢量控制（FOC）方案的三分流器或单分流器电流检测电路设计。 STSPIN840可以驱动两个直流有刷电机或一个功率更大的电机，利用意法半导体著名的经过

  的灵活性，ST推出新款STSPIN电机驱动器 /

  2017年3月16日，实现互联世界的创新RF解决方案提供商Qorvo, Inc.（纳斯达克代码：QRVO）今天宣布，推出满足LTE 2级功率要求的RF前端产品组合，也称作高性能用户设备（HPUE）。集成Qorvo RFFE设备的智能手机可兼具高频段频谱的速度与容量优势和中频段频谱的覆盖范围优势。 从2017年起，使用TD-LTE频段41（2.5 Ghz）的主要移动网络运营商需要在手机中采用2级功率来推动在全世界内的普及。2.5 Ghz等高频段频谱能以非常快的速度传输海量数据，但在范围上低于中频段或低频段频谱。Qorvo的2级功率产品组合可以在蜂窝边缘提供更高功率，从而优化频谱效率。Sprint和中国移动是两家使用频段41的领

  /************************************************ 文件：四相步进电机控制程序 : 描述：驱动方式彩用一相劢磁 moto_maichong_time 一个脉冲信号时间，单位1MS moto_qu_one 转动角度64（45度） 调用函数 moto_dispose(char moto_NU) 形参值为1至8 P1口与电机相连 时间：2011年1月11日 *************************************************/ #define uchar unsigned char #define mot

  1 引言 电机控制管理系统是电动汽车的重要组成部分。电机控制管理系统的可靠性对电动汽车的安全特别的重要。ISO26262定义的汽车安全完整性等级，把整车的安全目标由低到高划分为ASIL A、ASIL B、ASIL C和ASIL D四个等级。根据整车安全目标分解的功能安全需求并对应到相关零部件，可知电机控制管理系统相关的功能安全需求至少要满足ASIL C的安全等级，才能符合整车的功能安全目标。然而传统电机控制器是由单个电机控制芯片做处理器，往往很难达到ASIL C。故本文给出了一种纯电动汽车电机控制管理系统安全监控的设计的具体方案，通过增加一个安全监控芯片CIC61508 来对电机控制芯片进行监控，提升了系统的安全等级，使其达到ASIL C的

  浩亭利用Han-Modular® 滑动框架为电机控制中心（MCC）开发出一款全新连接器。抽屉式系统利用该连接器能够以简单的机械方式获得测试位置。功率连接可在后续位置实现。客户可从简洁的系统结构和Han-Modular® 系列的各种模块中获益。 到目前为止，对接连接器仅具有“插接”和“非插接”两种状态。而Han-Modular® 滑动框架现在可允许三种不同的插接状态-从而为抽屉式系统提供了全新解决方案。 “非插接位置”：信号连接器和功率连接器都已拔除。抽屉不在开关柜内。 “测试位置”：抽屉被推入开关柜，信号连接器在滑动框架内配合连接。位于靠近信号连接器的功率连接器两侧之间，并保持约35毫米的距离，因而不会发生功率传送。

  中心的带测试位置对接连接器 /

  1.产品简述; MS35711T 器件是一款步进电机控制器， 它使用外部 N 沟道 MOSFET 来驱动一个双极步进电机或两个刷式直流电机。 MS35711T 支持全步进到 1/256 步进驱动模式。利用自适应消隐时间和包括自动混合衰减模式在内的多种不同的电流衰 减模式， 可实现非常平滑的运动过程。 电机运动采用标准的 DIR/STEP 操控方法。器件运行通过 一 个 SPI 串行接口控制。 输出电流(扭矩)、步进模式、衰减模式 和堵转检测功能都能够最终靠 SPI 串行接口进行编程。 2.主要特征; 1、PWM 调制微步进电机驱动控制器 2、内置 256 细分 3、可选 STEP/DIR 接口控制或者直接 PWM 控制接

  器MS35711T概述、特点及应用 /

  【2022年7月6日，德国慕尼黑讯】凭借其众多优点，三相无刷直流（BLDC）电机正在成为设计现代化电池供电型电机产品的首要选择。然而，为了让产品符合人体工学设计并延长电池的常规使用的寿命，需要缩小产品的尺寸并减轻重量，这给产品设计带来了巨大挑战。为帮助设计师满足终端市场的需求，英飞凌科技股份公司推出了 完全可编程的电机控制器MOTIX™ IMD700A和IMD701A 。它们采用9 x 9 mm2 64引脚VQFN封装，能够让无线电动工具、园艺用品、无人机、电瓶车以及自动导引车拥有更高的集成度以及功率密度，从而使用户得到满足需求。 MOTIX™ IMD700A和IMD701A MOTIX IMD70xA系列控制器在一个非常小

  器和三相栅极驱动器 /

  摘要： CAN总线的基本功能与特点、CAN控制器以及CAN总线在混和动力汽车电机控制管理系统中的应用；CAN总线的接口设计、帧结构和通信中断服务程序流程图等。     关键词： CAN总线 混和动力汽车 电动机 控制管理系统 CAN（Controller Area Network）总线即控制器局域网络，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，属于现场总线的范畴。德国Bosch公司在二十世纪80年代初将其研究成功，最初大多数都用在汽车内部检测以及控制管理系统的数据通信。CAN总线通信协议是在最大限度地考虑工业现场环境的背景下制订的，它采用了国际标准化组织ISO制订的开放系统互连（I

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