如何选择无刷直流电机控制方案？设计挑战与Qorvo解决方案解析

你是否曾在无刷直流电机（BLDC）控制设计中遇到这样的困扰：扭矩波动大、调速精度不够、传感器成本高昂？随着移动、自动化和机器人技术的迅速发展，电机系统已成为设计人员的核心关注点，但同时也带来了诸多设计挑战。

*近贸泽电子与Qorvo联手发布的电子书《10 Experts Discuss the Fundamentals of Motor Control》，汇集了行业专家对电机控制应用的关键见解，特别是针对无刷直流电机控制方案提供了许多实用解决方案。

一、BLDC电机控制的核心挑战是什么？

无刷直流电机因其**率、长寿命和低噪音特点，广泛应用于汽车、消费电子和工业领域。但在实际控制中，工程师们面临几个关键挑战：

**的位置检测是实现**控制的基础。传统方法使用霍尔传感器，但这增加了系统成本和复杂度。无传感器控制方案通过测量反电动势来估算转子位置，虽节省了成本，但对算法要求**，在低速和启动阶段尤其困难。

扭矩波动是另一个常见问题。它会导致噪音和振动，影响系统性能。采用磁场定向控制（FOC） 可以显著减小扭矩波动，但实现起来比传统的梯形控制更复杂。

热管理也不容忽视。电机驱动系统产生的热量可能导致性能下降甚至故障。智能功率模块（IPM）和碳化硅（SiC）MOSFET等先进功率器件的应用，能提**率，减少热损耗，简化散热设计。

二、有哪些主流控制方案？如何选择？

根据Qorvo专家的见解，BLDC电机控制主要有以下几种方案：

梯形控制：这是*简单的方法，适用于对性能要求不高的场合。但扭矩波动较大，效率相对较低。

正弦波控制：提供比梯形控制更平滑的运行，扭矩波动较小，但计算复杂度较高。

磁场定向控制（FOC）：性能*优的选择，能实现高精度调速和*小扭矩波动，但需要较强的处理能力和复杂的算法。

选择控制方案时，需要考虑以下因素：

• 应用场景的性能要求（如精度、噪音）

• 系统成本限制

• 开发资源和时间

• 功耗和热管理要求

一般来说，对性能要求不高的应用可以选择梯形控制；对噪音和振动有要求的场合适合正弦波控制；而高性能应用如工业自动化和电动汽车驱动，则推荐采用FOC方案。

三、Qorvo提供了哪些创新解决方案？

Qorvo的PAC系列电源应用控制器为BLDC电机控制提供了高度集成的解决方案。

PAC5527是一款48V电荷泵电机控制器和驱动器，专为小型化电池供电BLDC电机的高速控制和驱动进行了优化。它集成了150MHz Arm(R) Cortex(R)-M4F 32位微控制器内核，具备高度可配置能力的多模电源管理器，为设计人员提供了灵活添加诊断和自检等功能的能力。

PAC55710则是72V BLDC电机控制器及驱动器，是一款功能齐全、高度优化的系统级芯片（SoC）。它通过集成安全功能（如VDS检测、逐周期限流、增强型采样保持以及窗口式看门狗定时器），控制并驱动下一代智能家电、设备和系统。

这些解决方案的高度集成特性减少了外部元件数量，降低了系统复杂性和成本，同时提高了可靠性。

四、实际应用中的设计技巧

基于专家经验，这里有一些实用设计技巧：

传感器选择：如果成本允许且需要高精度控制，推荐使用编码器或霍尔传感器。对于成本敏感的应用，可以考虑无传感器方案，但要注意低速性能可能受限。

电流检测：准确的电流检测对FOC至关重要。使用低侧电流检测可以节省成本，但高侧检测能提供更好的性能。可以考虑使用带有集成电流检测放大器的驱动器简化设计。

PWM频率选择：较高的PWM频率（如20kHz以上）可以降低可闻噪音，但会增加开关损耗。需要根据应用在噪音和效率之间取得平衡。

保护功能：确保设计包含过流、过温和欠压保护。Qorvo的PAC系列产品集成了这些保护功能，可以大大提高系统的可靠性。

调试工具：利用供应商提供的评估套件（如Qorvo PAC52723EVK1）可以加速开发过程，减少调试时间。

五、未来发展趋势

电机控制技术仍在不断发展，有几个趋势值得关注：

宽禁带半导体应用：碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件的使用将继续增长，它们能提供更高的开关频率、更低的导通和开关损耗，从而提高电机驱动系统的效率和功率密度。

更高集成度：智能功率模块（IPM）和功率集成模块（PIM）将更受欢迎，它们集成了功率开关、驱动电路和保护功能，简化了设计并减少了系统体积。

AI赋能：人工智能算法的引入为电机控制系统带来了智能化发展，如利用深度学习优化PID参数，实现自适应控制。

预测性维护：通过集成传感器和算法，电机系统能够实时监测运行状态，预测潜在故障，提高系统可靠性和使用寿命。

从个人观点来看，无刷直流电机控制正在从“能工作”向“工作得更好、更智能”方向发展。集成化和智能化将是未来主要趋势。工程师们需要不仅关注硬件设计，也要重视算法和软件优化。

Qorvo与贸泽电子合作的这本电子书提供了一个宝贵的机会，让工程师们能够从行业专家那里获得**手见解和经验分享。无论是初学者还是经验丰富的工程师，都能从中找到有价值的信息。

选择合适的BLDC电机控制方案需要综合考虑性能要求、成本限制和技术资源。随着像Qorvo PAC系列这样的高度集成解决方案的出现，设计高性能电机控制系统变得越来越容易，让工程师能够更专注于创新和优化。