電動工具無刷電機低成本控制解決方案
——基于Active-Semi PAC5223集成全橋驅(qū)動芯片

上海澤兆電子科技有限公司

電動工具無刷電機低成本控制解決方案
——基于Active-Semi PAC5223集成全橋驅(qū)動芯片

上海澤兆電子科技有限公司

隨著電動工具行業(yè)中鋰電工具份額的不斷擴大，直流無刷趨勢日益明顯，小型、便攜、低成本的鋰電工具已成為了制造企業(yè)在產(chǎn)品投放市場時重點考慮的因素。

上海澤兆電子科技有限公司根據(jù)行業(yè)特點開發(fā)無刷電機控制方案，2015年與美國ACTIVE-SEMI公司合作，針對電動工具等產(chǎn)品最新開發(fā)了一款基于Active-semi平臺PAC5223低成本控制方案，具有小尺寸、低成本、高效能等特點，集成了BLDC控制的電源轉(zhuǎn)化、半橋驅(qū)動，是一款電動工具主流控制方案。

針對電動工具無刷控制的集成芯片特點

產(chǎn)品介紹

（Active-Semi, Inc.）官網(wǎng)消息，其基于節(jié)能應(yīng)用控制器（PAC）的直流無刷電機控制芯片產(chǎn)品系列增加了新的成員PAC5223集成芯片，以及四個新的開發(fā)板和完備的固件解決方案。PAC5223提供業(yè)界性能領(lǐng)先的最低成本系統(tǒng)級解決方案，可支持高達72 V的三相直流無刷電機（BLDC）。此外，新的開發(fā)板和固件支持無傳感器的梯形波控制和磁場導(dǎo)向控制（FOC）的變頻控制。它不僅降低了開發(fā)成本，并可快速研發(fā)出各種原型機樣品，包括電動工具，園林工具，無人機，無線電遙控車，直流風扇以及各種通用的直流無刷電機應(yīng)用。PAC5223是顆系統(tǒng)級集成芯片，包括可用于三相控制的高達72 V的柵極驅(qū)動器，多模式電源管理，可配置的模擬前端，內(nèi)置的ARM Cortex內(nèi)核以及技領(lǐng)半導(dǎo)體公司特有的總體休眠模式和其它各種具備專利保護的功能，并提供了最小的系統(tǒng)設(shè)計和最高的系統(tǒng)效率。

產(chǎn)品特點

PAC?IC系列集成了完善的，可配置的電源管理模塊及模擬外設(shè)，例如：

●多模式電源管理 - 支持AC-DC，DC-DC，反激式PFC，高壓降壓及降壓轉(zhuǎn)換等

●可配置的模擬前端 - 設(shè)有2個前置比較器，單端和差分可調(diào)增益運算放大器，溫度監(jiān)控等

●專用柵極驅(qū)動器 - 具有開漏極驅(qū)動，支持52 V，72 V和600 V輸入電壓，高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動器

●數(shù)據(jù)采集模塊

●PWM引擎 - 4個定時器，14個PWM通道

●32位ARM?Cortex MCU - 包括GPIO, I2C, SPI， UART，SWD和其他外圍配置

PAC52xx集成電路產(chǎn)品系列基于32位ARM?Cortex M0嵌入式微控制器內(nèi)核，主頻50 MHz，具有32 kB閃存，8 kB SRAM。這些產(chǎn)品還集成了晶振驅(qū)動。在一個微小的6×6 mm QFN封裝內(nèi)，PAC5223包含了多種功能以增加其客戶端價值。當輸入電壓小于20 V可直接連到芯片的電源管腳，20 V～72 V的電壓輸入可使用集成的直流降壓轉(zhuǎn)換控制器以降低系統(tǒng)成本。此外，四個集成的低壓穩(wěn)壓器（LDO）進一步簡化了系統(tǒng)的電源管理。這些完備和可高度配置的模擬及數(shù)字處理功能使PAC5223為各種終端應(yīng)用，如電動工具，園林工具，無人機，無線電遙控車，空氣流動系統(tǒng)和通用高壓直流無刷電機特別是無傳感器控制提供了理想的單芯片解決方案。

EP-HYDRA-X23-1和EP-HYDRA-X23S-1評估套件擴展了HYDRA-X家族成員，并使得用戶能快速實現(xiàn)基于PAC5223的原型機設(shè)計。另外還提供了EH-BLDCM1-1和EH-FOC1-1等HYDRA-X插接板以及電機控制固件和調(diào)節(jié)軟件。所有這些提供的硬件，固件及軟件極大地簡化了有傳感器和無傳感器電機變頻控制的開發(fā)應(yīng)用。Active-semi半導(dǎo)體提供最小尺寸為20×30 mm的參考設(shè)計，該方案支持三相直流無刷電機的變頻控制。在BLDC應(yīng)用開發(fā)可以提供健全的開發(fā)資料、開發(fā)DEMO板、與仿真工具等。

產(chǎn)品應(yīng)用

內(nèi)設(shè)豐富配置的PAC5223集成了MCU,BLDC-Drive、DC-DC等電路一體，非常適合應(yīng)用于BLDC對控制要求體積小，精度高、產(chǎn)品穩(wěn)定性強的BLDC產(chǎn)品；如電動扳手、電動螺絲刀、電磨、園林工具、無人機、航模等產(chǎn)品。

低壓鋰電工具無刷控制設(shè)計原理

無傳感器BLDC控制

無傳感器無刷直流（Brushless DC，BLDC）電機控制算法采用dsPIC?數(shù)字信號控制器（digital signal controller，DSC）實現(xiàn)。該算法對電機每相的反電動勢（back-Electromotive Force，back-EMF）進行數(shù)字濾波，并基于濾得的反電動勢信號來決定何時對電機繞組換相。這種控制技術(shù)不需要使用離散式低通濾波硬件和片外比較器。 目前，BLDC電機的應(yīng)用非常廣泛，這里描述的算法一般適合于電氣RPM范圍為40 k～100 k以內(nèi)的BLDC電機。運行于此RPM范圍內(nèi)的一些BLDC電機應(yīng)用可以是模式化RC電機、風扇、硬盤驅(qū)動、氣泵以及牙鉆等。

閉環(huán)控制

通過閉環(huán)測量當前電機轉(zhuǎn)速而達到控制電機的轉(zhuǎn)速的目的，通過計算期望轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的誤差，使用PID算法去調(diào)節(jié)PWM的占空比以達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。對于低成本，低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場合，可以使用霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)速反饋。利用PAC52XX微控制器本身的定時器去測量兩個霍爾元件輸出信號，然后根據(jù)信號得出實際轉(zhuǎn)速。一般電動工具電機轉(zhuǎn)速在低速范圍內(nèi)。

最大扭矩

最大扭矩可以通過將負載扭矩、轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力相加得到。另外，還有一些額外的因素影響最大需求扭矩如：氣隙空氣的阻力等，這就需要至少20%的扭矩余量，綜上所述，有以下等式：

TJ為電機啟動或加速過程需要克服的轉(zhuǎn)動力矩，其主要包括電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩和負載的轉(zhuǎn)動力矩，其表示為：

上式中α為加速度，JL+M為定子和負載的轉(zhuǎn)動力矩。電機的機械軸決定電機的負載力矩和摩擦力。

轉(zhuǎn)速控制

這是有應(yīng)用需求的轉(zhuǎn)速。比如，吹風機的轉(zhuǎn)速需求是最高轉(zhuǎn)速和平均轉(zhuǎn)速相差不大，顯然在一些點對點定位系統(tǒng)，如傳送帶和機械臂系統(tǒng)中就需要大轉(zhuǎn)速范圍的電機，可以根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速梯形曲線（如右圖）確定電機的轉(zhuǎn)速需求。通常，由于其他因素，在計算電機轉(zhuǎn)速需求時候應(yīng)留有10%的余量。

電機曲線

電動扳手量產(chǎn)方案設(shè)計

量產(chǎn)產(chǎn)品原理圖

量產(chǎn)產(chǎn)品實物圖