無(wú)刷直流電機及其驅動(dòng)器的設計挑戰與注意事項

1 簡(jiǎn)介

（利用電力）產(chǎn)生旋轉運動(dòng)是18 世紀進(jìn)行的首批電力實(shí)驗之一——所發(fā)明的“電動(dòng)旋轉”裝置實(shí)際上是一種靜電反應電機，當時(shí)也只是被視為一種新奇的事物。如今，根據“4E 電機系統報告附件”（EMSA）^[1]的數據，全球發(fā)電量的53% 由電機消耗。國際能源署（IEA）的另一份報告指出，電力成本通常構成了電機生命周期成本的95%。如果用戶(hù)改用最高效的電機和驅動(dòng)器，全球電力需求到2030 年可減少24-42 太瓦時(shí)（TWh），相當于減少16-26 千兆噸（Gt）二氧化碳排放。根據2020 年的市場(chǎng)分析，這一市場(chǎng)價(jià)值近1420 億美元，預計年復合增長(cháng)率為6.4%^[2]。

因此，無(wú)論從資本支出回報、運營(yíng)成本，還是環(huán)境負擔的長(cháng)遠角度考慮，我們都有充分的動(dòng)力更新并采用性能最佳的智能電機控制器。此外，監管方面也面臨著(zhù)改進(jìn)的壓力，與效率相關(guān)的國際標準正在實(shí)施，例如針對線(xiàn)控交流電機的IEC 60034-30-1，按效率高低將等級劃分為IE1 至IE4。然而，理想的電機取決于具體應用，并且有一個(gè)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 臺感應電機、14 臺有刷直流電機、4 臺通用交流- 直流電機和26 臺無(wú)刷直流電機?？偣灿?1 個(gè)線(xiàn)路供電和31 個(gè)電池供電。

2 電機的分類(lèi)

交流感應電機在包括工業(yè)在內的整個(gè)市場(chǎng)中占主導地位，份額約為70%；以略低于供電線(xiàn)路交流頻率的固定倍數的值“打滑”運行。單相電機用途廣泛，但效率不高，需要借助電容器、開(kāi)關(guān)或繼電器的特殊啟動(dòng)模式。相比之下，三相電機功率更大、效率更高，且能夠自啟動(dòng)。交流感應電機非?？煽坑殖杀镜土?，但其最簡(jiǎn)單的形式僅適用于恒速/ 恒載應用，如風(fēng)扇和泵。在需要變速和變矩的情況下，可以選擇變頻驅動(dòng)器（VFD）來(lái)驅動(dòng)；這樣可以使過(guò)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上，但在實(shí)際應用中，如果不采取預防措施，它們會(huì )給絕緣效果帶來(lái)壓力，產(chǎn)生過(guò)多的EMI 并引起共模電流和相關(guān)磨損。

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

“自換向”電機不直接依賴(lài)交流電源逐步旋轉磁場(chǎng)而產(chǎn)生吸引力和排斥力來(lái)隨之轉動(dòng)。這類(lèi)電機通常使用“電刷”，在轉子轉動(dòng)時(shí)依次給轉子上的線(xiàn)圈通電，從而保持持續的旋轉扭矩。在該類(lèi)別中，有刷直流或通用交直流類(lèi)型的電機性能良好、結構緊湊，且啟動(dòng)扭矩大，初始成本低。因此，它們在包括小家電和工具在內的廣泛應用中很受歡迎。其缺點(diǎn)在于需要對磨損的電刷進(jìn)行維護，還通常會(huì )產(chǎn)生較高的聲學(xué)和電氣噪音。有刷電機的速度控制相對簡(jiǎn)單，最高可達數萬(wàn)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(xiàn)性”穩壓器或“直流斬波器”降低電壓。對于使用交流電源的有刷電機，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(guò)切換勵磁線(xiàn)圈抽頭進(jìn)行粗略控制。直流和交流有刷電機都可以利用從傳感器反饋至輸入電壓的閉環(huán)控制，來(lái)實(shí)現隨負載變化的轉速調節。

為了追求更高的效率、性能和更長(cháng)的壽命，無(wú)刷直流（BLDC）電機脫穎而出。這些類(lèi)型的電機通常有定子線(xiàn)圈和轉子磁鐵，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(huì )增加初始成本，但因其性能優(yōu)勢和節能效果（效率可能超過(guò)96%），可以快速收回成本，同時(shí)維護費用非常低且使用壽命長(cháng)。定子線(xiàn)圈驅動(dòng)電子器件可使用電池作為便攜式設備（如工具）的電源，也可以使用具有功率因數校正（PFC）的升壓電源（適用于較大的電器）。由于設備的可控性和能效要求越來(lái)越高，BLDC 電機的潛在市場(chǎng)十分廣闊，因此必要驅動(dòng)電路的集成度和成本效益也越來(lái)越高。圖1 比較了一家制造商某些相同物理尺寸電機類(lèi)型的簡(jiǎn)要特性。

圖1 一家制造商的電機性能比較

（資料來(lái)源：Groschopp）

3 無(wú)刷直流電機：一探究竟

現在，我們將細致研究BLDC 電機，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(shí)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”模式驅動(dòng)下三個(gè)線(xiàn)圈的電壓施加時(shí)序。驅動(dòng)通常由六個(gè)半導體開(kāi)關(guān)組成，通常為MOSFET 或橋接配置的SiCFET等帶隙越來(lái)越寬的器件；其提供六個(gè)電壓組合，每個(gè)相位之間有適當的“死區”時(shí)間，以避免“上下橋直通”（圖2）。當轉子旋轉360 度時(shí)，相位切換通過(guò)軸上的傳感器或其它方式觸發(fā)，并依次啟動(dòng)。在沒(méi)有反饋的情況下，電機最高轉速由電源電壓、轉子位置檢測與評估所導致的延遲，以及繞組電感決定。隨著(zhù)轉速的增加和外加電壓持續時(shí)間的縮短，電感會(huì )限制可達到的峰值電流，從而讓扭矩逐漸降低。通過(guò)轉子角度、速度和線(xiàn)圈電流的反饋，控制器必須精確把握正確的切換時(shí)點(diǎn)，以最大限度地提高扭矩，并將扭矩紋波（每轉會(huì )產(chǎn)生多次周期性驟降，從而引起振動(dòng)）降至最低。

圖2 三相無(wú)刷直流電機的外形和所需驅動(dòng)電壓時(shí)序；此處所示為線(xiàn)圈的“梯形”模式驅動(dòng)排列

基于不同的應用，可根據連續最大、間歇扭矩以及速度要求等參數選擇不同的BLDC。BLDC 的優(yōu)點(diǎn)在于最大扭矩與速度無(wú)關(guān)。額定功率和工作電壓將被指定；其它參數可能包括繞組和傳感器的絕緣額定值（以滿(mǎn)足安全標準），以及內置位置傳感器的類(lèi)型（如有）。上述特性確定了BLDC 驅動(dòng)器在輸出電壓范圍、頻率范圍（確定速度）和電流能力（包括過(guò)載條件）方面的性能要求。驅動(dòng)器的控制器需要這些參數按比例縮放，并且必須根據可用的轉子位置傳感器類(lèi)型進(jìn)行設置?？刂破鬈浖械乃惴ɑ谥貜吐蕛?yōu)化驅動(dòng)信號到功率級的時(shí)間，以設置速度和脈沖寬度調制來(lái)設置扭矩。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(kāi)關(guān)提供BLDC驅動(dòng)電壓；此處所示為Qorvo的SiC-FET開(kāi)關(guān)產(chǎn)品

4 BLDC電機控制

首先，可以選擇換向方式，即驅動(dòng)定子線(xiàn)圈以確保連續旋轉的模式?！傲教菪尾ā彬寗?dòng)方式在任何時(shí)候都將電流同時(shí)通過(guò)兩個(gè)繞組，并使第三個(gè)繞組浮動(dòng)，顯示反電動(dòng)勢，以及可用于確定轉子位置的過(guò)零點(diǎn)。所謂“六步梯形”是指圖2 中所示的六種驅動(dòng)狀態(tài)，以及定子繞組的物理集中分布；定子繞組會(huì )產(chǎn)生梯形的反EMF（圖4 左）和不可避免的扭矩波動(dòng)。與此相反，電機的繞組線(xiàn)圈可以更復雜的機械排列方式分布，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，盡管實(shí)際實(shí)現中達到最大值的1% 左右。此種BLDC 電機被稱(chēng)為永磁同步電機（PMSM），其峰值扭矩和功率密度低于梯形換向的BLDC 電機。PMSM 的所有繞組在任意時(shí)刻都被驅動(dòng)，因此沒(méi)有“浮動(dòng)”繞組來(lái)指示轉子位置，而通常需要一個(gè)單獨的傳感器。對于這兩種換向方案，功率驅動(dòng)器都均以高載波頻率進(jìn)行脈寬調制（PWM），形成所需的電壓形狀（梯形或正弦），以匹配反EMF 的形狀來(lái)獲得最佳性能。PWM 的占空比設定了整體電壓幅值，從而設定了扭矩需求。

圖4 BLDC電機和永磁同步電機的反EMF波形

電機換向類(lèi)型的最佳選擇取決于應用，六步梯形換向更容易實(shí)現，并能在高扭矩條件下啟動(dòng)。驅動(dòng)器中必須減少開(kāi)關(guān)損耗，但它適用于電動(dòng)工具等非常高速的情況。正弦換向電機成本較高，驅動(dòng)算法也更為復雜，適用于對性能要求較高、啟動(dòng)扭矩有限，以及需要低速穩定運行的場(chǎng)合，例如通風(fēng)扇等。有些驅動(dòng)方案采用梯形換向以高扭矩啟動(dòng)電機，然后在電機旋轉時(shí)切換至正弦模式。

三個(gè)霍爾效應轉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用，可使用反EMF 的零交叉點(diǎn)。對于正弦換向，也可采用更昂貴的光學(xué)編碼器或旋轉變壓器，以獲得更佳的性能。

圖5 BLDC電機的FOC或“矢量”控制

5 矢量或磁場(chǎng)定向控制

控制正弦換向BLDC 電機的一種技術(shù)是矢量或磁場(chǎng)定向控制（FOC）^[3]。FOC 保證在整個(gè)速度范圍內平穩運行，并帶來(lái)快速加減速的卓越動(dòng)態(tài)性能。轉子位置可由傳感器確定；也可以通過(guò)“無(wú)傳感器”方案測量繞組電流和電壓，并結合電機特性“模型”來(lái)近似確定位置。對終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，FOC 的益處在于帶來(lái)更高的精度和更小的電機，以及更低的成本與能耗。然而，FOC比較復雜，需要電機控制器具備強大的處理能力。其啟動(dòng)時(shí)無(wú)法獲得位置信息，因此有時(shí)會(huì )使用單獨的開(kāi)環(huán)驅動(dòng)模式來(lái)“啟動(dòng)”電機，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(shí)現在任何條件下均保持轉子和定子磁場(chǎng)成90 度的理想狀態(tài)，以獲得最大扭矩，同時(shí)在負載變化的情況下調節速度和扭矩。

為達成這一目標，需要對以下兩個(gè)參數進(jìn)行推導和優(yōu)化控制：磁場(chǎng)磁鏈和扭矩。這些參數必須分離為正交分量（在定子靜態(tài)坐標中相差90 度），并可從轉子位置和繞組電流中推導出來(lái)。三相繞組電流IU、IV、IW首先通過(guò)A-D 轉換器，然后利用“克拉克（Clarke）”變換法轉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在，我們通過(guò)“帕克（Park）”變換法和旋轉角得出旋轉坐標Iq、Id（q = 交軸，d = 直軸），分別代表磁場(chǎng)扭矩和磁鏈。確定Iq和Id后，可將其與目標值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(shí)際值和參考值間的差值成正比，也與差值的積分成正比；結果是良好的動(dòng)態(tài)響應，幾乎沒(méi)有過(guò)沖和欠沖?，F在要將補償信號轉換回用于電機繞組的三相驅動(dòng)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(kāi)關(guān)生成驅動(dòng)信號。采用脈寬調制可獲得正弦驅動(dòng)電流；其有效值與所需扭矩相對應。圖5 給出了一個(gè)典型的FOC 方案框圖。

6 Qorvo BLDC電機控制解決方案

為BLDC 電機提供最佳驅動(dòng)非常困難，因為需要感測大量參數和利用復雜的算法來(lái)生成適當的多相PWM波形。在實(shí)際應用中，電源電壓可以為小型電池工作時(shí)的8 V 上下，也可以是家用電器整流和功率因數校正后的400 V。電機可能需要能夠反轉，也可能內置或不內置傳感器，而且用戶(hù)越來(lái)越希望設備能夠進(jìn)行現場(chǎng)更新，以更改電機控制特性。幸運的是，目前所有的驅動(dòng)和控制功能都可以集成至電源應用控制器（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(gè)傳感器和通信接口，適用于任何BLDC電機控制應用，能夠以“電機參數自識別”模式針對特定電機進(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動(dòng)器集成了電壓額定值高達600V的高端驅動(dòng)器；這在市場(chǎng)上尚屬首次。此外，其還包含內部線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)穩壓器，以最大限度地減少電路板空間和BOM 成本?？膳渲媚M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、數模轉換器、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(gè)模擬輸入信號的傳感器監控。面向低功耗BLDC 的PAC5285還集成了功率MOSFET，為手持工具和設備等應用構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功能，包括過(guò)流、欠壓、過(guò)壓和過(guò)熱。

圖7 Qorvo RD5556參考設計采用SiC FET，適用于600 V/6 kW的應用

7 參考設計簡(jiǎn)化新品開(kāi)發(fā)方案

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

Qorvo基于PAC5223器件，面向無(wú)人機電機驅動(dòng)器等應用提供了參考設計； 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17 A。另一款參考設計RD5223PT 演示了PAC5223 如何在電動(dòng)工具中利用單電阻檢測法；該方案尺寸為24 毫米×10 毫米，可安裝在設備手柄中。

對于240VAC 應用，可在64 mm 直徑的4 層PCB上使用PAC5253，從而獲得水泵用BLDC 電機的參考設計，如圖8 所示。

圖8 用于240 VAC水泵的Qorvo BLDC電機控制器參考設計

Qorvo 推出的PAC 器件是其硬件和軟件支持生態(tài)系統的一部分，提供了完整的數據表、參考手冊、編程GUI 及指南、軟件開(kāi)發(fā)工具包和應用說(shuō)明。所有參考設計均擁有原理圖、BOM 及布局圖。

8 結束語(yǔ)

無(wú)刷直流電機的高效率使其成為小尺寸、低重量、高可控性和高扭矩等應用的理想選擇；如家電、電動(dòng)工具及各種工業(yè)和消費類(lèi)應用。過(guò)去，先進(jìn)控制和驅動(dòng)裝置的復雜性及成本一直是BLDC 電機廣泛應用的障礙；而如今，Qorvo 的PAC 系列控制器和SiC FET開(kāi)關(guān)已成為多功能且經(jīng)濟高效的集成驅動(dòng)解決方案。得益于全面的支持，超高性能BLDC電機控制器現可以在工業(yè)與消費市場(chǎng)的廣泛應用中快速、輕松地實(shí)施，從而降低設計過(guò)程的風(fēng)險，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)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。Bluetooth^?字標和標識是 BluetoothSIG, Inc. 的注冊商標，Qorvo US, Inc. 在獲得許可的情況下使用這些標識。其他商標和商號分別歸屬于各自所有者。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.1-2）