克服设计挑战：无刷直流电机与驱动器
试着回想一下，有没有哪一刻您没有使用过任何类型的电机？从家中的吊扇到汽车的车窗，再到医院里精密的手术器械——电机已成为现代技术的基石，消耗了世界上一半以上的电力。提高能效可以显著降低全球电力需求，而性能最佳的电机则配备了智能控制。
Qorvo公司应用工程师José Quiñones在其2024年的白皮书《无刷直流电机及其驱动器的设计挑战与注意事项》中，深入探讨了无刷直流（BLDC）电机所面临的挑战及其具备的优势。“电机的使用已有100到150年的历史。”José说道，“最初它们非常简单，只需连接到电源即可工作。然而，这并不是执行电机驱动任务的最有效方式，因此您可以想象在过去的一个世纪里，对这些电机提出了怎样的要求。它们不得不变得更加复杂，控制它们的设备也是如此。”
“在过去的12年里，我们一直致力于将电机控制集成到单个芯片中，以使应用更加紧凑。这样做还可以节省成本。有些应用确实需要较小的空间占用，比如电池驱动的电钻；其所有的可用空间基本上就在您的手掌大小之内。这就带来了许多设计上的挑战，但如果您能克服这些挑战，也将获得诸多益处。”
设计挑战
初期成本
- 与传统电机相比，BLDC电机及其驱动器的前期成本更高
- 集成先进的控制电子设备增加了初期投资
复杂的控制系统
- 需要复杂的控制算法来优化性能
- 需要强大的处理能力和先进的软件来优化运行
电机选型
- 根据应用要求（例如连续与间歇扭矩、速度等）选择合适的电机类型
- 确保与现有系统兼容并满足性能预期
传感器集成
- 决定传感器的类型和位置，以实现精确的转子位置检测
- 平衡不同传感技术（如霍尔效应传感器和光学编码器）的成本与性能
热管理
- 有效消散功率电子设备和电机运行产生的热量
- 在不同运行条件下保持性能及使用寿命
BLDC电机的优势
高效能
- 效率可达96%以上，从而实现显著的节能效果
- 由于耗电量减少，生命周期成本降低
使用寿命长
- 由于没有电刷磨损，维护需求极低
- 在各种应用中经久耐用，可靠性高
紧凑且轻便
- 更高的功率密度允许设计更为紧凑的电机
- 非常适合对空间和重量有严格要求的应用
性能增强
- 通过先进的驱动电子设备精确控制速度和扭矩
- 运行平稳，扭矩纹波更小；尤其针对正弦换向
应用广泛
- 适用于从小型手持工具到大型工业机械的广泛领域
-
可与电池供电系统和市电供电系统灵活配合
Qorvo的BLDC电机控制解决方案
José表示，为充分利用这些优势，必须有一种方法来控制电机的不同电气参数。“这一切都需要大量的细致调整，这正是电机控制器发挥作用的领域。在这种情况下，我们提供的电机控制器内置了实现所需智能的微控制器。”
Qorvo带来集成解决方案，以解决BLDC电机控制的挑战。其推出的PAC5xxx系列电源应用控制器™（PAC）集成了BLDC电机控制所需的所有必要功能：
- 高度集成：结合了三相门极驱动器、电源管理、模拟前端、多个通信接口和传感器接口
- 可配置且可更新：允许针对特定电机进行现场更新和自动调整
- 全面保护：包括针对过流、欠压、过压和过温的保护
- 节省空间和成本：最大限度减少对板载空间的需求以及元件数量，缩减物料清单（BOM）和组装成本
此参考设计示例为RD5556；
展示了Qorvo的PAC5556电机控制器和
碳化硅（SiC）FET共源共栅结构功率开关。
PAC系列简化了BLDC电机的实施，确保了各类应用中的高性能、高效率和可靠性。
“为了安全起见，我们开发了一条新的驱动器产品线，具有以下两大特点。我们将这些安全措施从软件层面转移到了硬件层面。借助硬件实施方式，可以快速停止电机，并通过硬件而非固件来禁用功率级。这确保了潜在的固件故障不会干扰和危及安全性。这种冗余性提高了安全性；特别对于某些安全至关重要的电动工具；例如，电锯！”
BLDC电机尽管初始成本高、结构复杂，但却具有无与伦比的效率、使用寿命和性能优势。利用Qorvo PAC系列等集成控制解决方案来克服设计挑战，各行业都可实现显著的节能和运营改进。“我们的工具让设计师的工作变得更加轻松，”José如此说道。
文章转载自Qorvo半导体公众号
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