無刷直流電機及其驅動器的設計挑戰與注意事項

1 簡介

（利用電力）產生旋轉運動是18 世紀進行的首批電力實驗之一——所發明的“電動旋轉”裝置實際上是一種靜電反應電機，當時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%。如果用戶改用最高效的電機和驅動器，全球電力需求到2030 年可減少24-42 太瓦時（TWh），相當于減少16-26 千兆噸（Gt）二氧化碳排放。根據2020 年的市場分析，這一市場價值近1420 億美元，預計年復合增長率為6.4%^[2]。

因此，無論從資本支出回報、運營成本，還是環境負擔的長遠角度考慮，我們都有充分的動力更新并采用性能最佳的智能電機控制器。此外，監管方面也面臨著改進的壓力，與效率相關的國際標準正在實施，例如針對線控交流電機的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 臺無刷直流電機?？偣灿?1 個線路供電和31 個電池供電。

2 電機的分類

交流感應電機在包括工業在內的整個市場中占主導地位，份額約為70%；以略低于供電線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、開關或繼電器的特殊啟動模式。相比之下，三相電機功率更大、效率更高，且能夠自啟動。交流感應電機非?？煽坑殖杀镜土?，但其最簡單的形式僅適用于恒速/ 恒載應用，如風扇和泵。在需要變速和變矩的情況下，可以選擇變頻驅動器（VFD）來驅動；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上，但在實際應用中，如果不采取預防措施，它們會給絕緣效果帶來壓力，產生過多的EMI 并引起共模電流和相關磨損。

真正的不“打滑”的同步電機也是一種選擇，例如繞線轉子同步電機（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”電機不直接依賴交流電源逐步旋轉磁場而產生吸引力和排斥力來隨之轉動。這類電機通常使用“電刷”，在轉子轉動時依次給轉子上的線圈通電，從而保持持續的旋轉扭矩。在該類別中，有刷直流或通用交直流類型的電機性能良好、結構緊湊，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的廣泛應用中很受歡迎。其缺點在于需要對磨損的電刷進行維護，還通常會產生較高的聲學和電氣噪音。有刷電機的速度控制相對簡單，最高可達數萬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，或者通過切換勵磁線圈抽頭進行粗略控制。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控制，來實現隨負載變化的轉速調節。

為了追求更高的效率、性能和更長的壽命，無刷直流（BLDC）電機脫穎而出。這些類型的電機通常有定子線圈和轉子磁鐵，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。這可能會增加初始成本，但因其性能優勢和節能效果（效率可能超過96%），可以快速收回成本，同時維護費用非常低且使用壽命長。定子線圈驅動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越高，BLDC 電機的潛在市場十分廣闊，因此必要驅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類型的簡要特性。

圖1 一家制造商的電機性能比較

（資料來源：Groschopp）

3 無刷直流電機：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”模式驅動下三個線圈的電壓施加時序。驅動通常由六個半導體開關組成，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的“死區”時間，以避免“上下橋直通”（圖2）。當轉子旋轉360 度時，相位切換通過軸上的傳感器或其它方式觸發，并依次啟動。在沒有反饋的情況下，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。隨著轉速的增加和外加電壓持續時間的縮短，電感會限制可達到的峰值電流，從而讓扭矩逐漸降低。通過轉子角度、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（每轉會產生多次周期性驟降，從而引起振動）降至最低。

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

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 的優點在于最大扭矩與速度無關。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（以滿足安全標準），以及內置位置傳感器的類型（如有）。上述特性確定了BLDC 驅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。驅動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型進行設置?？刂破鬈浖械乃惴ɑ谥貜吐蕛灮寗有盘柕焦β始壍臅r間，以設置速度和脈沖寬度調制來設置扭矩。下面，我們將討論可使用的換向方法和位置傳感技術，以及它們之間的相互作用。

圖3 橋接配置的開關提供BLDC驅動電壓；此處所示為Qorvo的SiC-FET開關產品

4 BLDC電機控制

首先，可以選擇換向方式，即驅動定子線圈以確保連續旋轉的模式?！傲教菪尾ā彬寗臃绞皆谌魏螘r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，以及可用于確定轉子位置的過零點。所謂“六步梯形”是指圖2 中所示的六種驅動狀態，以及定子繞組的物理集中分布；定子繞組會產生梯形的反EMF（圖4 左）和不可避免的扭矩波動。與此相反，電機的繞組線圈可以更復雜的機械排列方式分布，在這種情況下產生的反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，盡管實際實現中達到最大值的1% 左右。此種BLDC 電機被稱為永磁同步電機（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刻都被驅動，因此沒有“浮動”繞組來指示轉子位置，而通常需要一個單獨的傳感器。對于這兩種換向方案，功率驅動器都均以高載波頻率進行脈寬調制（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

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

三個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。對于正弦換向，也可采用更昂貴的光學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 矢量或磁場定向控制

控制正弦換向BLDC 電機的一種技術是矢量或磁場定向控制（FOC）^[3]。FOC 保證在整個速度范圍內平穩運行，并帶來快速加減速的卓越動態性能。轉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，并結合電機特性“模型”來近似確定位置。對終端用戶來說，FOC 的益處在于帶來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。其啟動時無法獲得位置信息，因此有時會使用單獨的開環驅動模式來“啟動”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，可實現在任何條件下均保持轉子和定子磁場成90 度的理想狀態，以獲得最大扭矩，同時在負載變化的情況下調節速度和扭矩。

為達成這一目標，需要對以下兩個參數進行推導和優化控制：磁場磁鏈和扭矩。這些參數必須分離為正交分量（在定子靜態坐標中相差90 度），并可從轉子位置和繞組電流中推導出來。三相繞組電流IU、IV、IW首先通過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“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；結果是良好的動態響應，幾乎沒有過沖和欠沖?，F在要將補償信號轉換回用于電機繞組的三相驅動電流，因此要進行反向帕克變換和反向克拉克變換，并為功率橋的開關生成驅動信號。采用脈寬調制可獲得正弦驅動電流；其有效值與所需扭矩相對應。圖5 給出了一個典型的FOC 方案框圖。

6 Qorvo BLDC電機控制解決方案

為BLDC 電機提供最佳驅動非常困難，因為需要感測大量參數和利用復雜的算法來生成適當的多相PWM波形。在實際應用中，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，而且用戶越來越希望設備能夠進行現場更新，以更改電機控制特性。幸運的是，目前所有的驅動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行配置、任意更新和PWM優化，分辨率極高。具有高峰值電流額定值的三相柵極驅動器集成了電壓額定值高達600V的高端驅動器；這在市場上尚屬首次。此外，其還包含內部線性和開關穩壓器，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，包括過流、欠壓、過壓和過熱。

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

7 參考設計簡化新品開發方案

Qorvo還可提供參考設計；舉例來說，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關。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。在工業領域，這一設計適用于泵、壓縮機和風扇的電機控制（圖7）。

Qorvo基于PAC5223器件，面向無人機電機驅動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、軟件開發工具包和應用說明。所有參考設計均擁有原理圖、BOM 及布局圖。

8 結束語

無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、電動工具及各種工業和消費類應用。過去，先進控制和驅動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開關已成為多功能且經濟高效的集成驅動解決方案。得益于全面的支持，超高性能BLDC電機控制器現可以在工業與消費市場的廣泛應用中快速、輕松地實施，從而降低設計過程的風險，并縮短產品上市時間。

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。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。

（本文來源于《EEPW》2024.1-2）