电机控制模块cps（mpc 电机）

普遍存在的有刷电机于19 世纪初推出，依靠定子线圈中电流的机械换向来驱动转子。现在，软件换向算法的创新和嵌入式微控制器成本的降低正在为新一代无刷直流电机、高压交流电机和永磁同步电机(PMSM) 注入新的活力。这些电机为一系列应用提供显着的功率和性能优势，包括冰箱和冰柜、洗衣机和烘干机、加热和冷却系统(HVAC) 以及家用和园艺电动工具等电器。 Active Semiconductor 的Power Application Controller (PAC) 系列集成电路通过将32 位ARM Cortex-M0 处理器内核与复杂的可配置模拟和电源管理相集成，以实惠的成本提供更智能的电机控制，从而推动了这一进步。一股创新浪潮。这种高度集成的解决方案不仅减少了系统组件的数量并提高了能源效率，而且还通过自动故障缓解系统提高了安全性。

电动机市场可以通过多种方式进行细分。典型的故障是交流与直流（采用典型的控制方法），一些示例如下表1 所示。流行的控制方法包括从简单的电压控制到更复杂的电子换向，包括电压频率(V/f)、脉宽调制(PWM) 控制、120 度梯形控制或磁场定向控制(FOC)。细分市场的其他方法是按马力，这通常与执行节能考虑因素相关，或者按最终应用，这可能对系统考虑因素产生重大影响，例如传感器或无传感器操作、速度控制、扭矩控制和初始控制。位置检测。

与任何电子系统一样，必须考虑确保性能、设计占用空间、成本和能源效率之间的平衡。由于世界各地使用的电机数量庞大，能源效率已成为替代传统电机技术的最强大驱动力之一。认识到节能的需要，一些政府机构已开始强制规定电动机的节能目标，特别是高于特定额定功率的电动机。例如，欧洲的能源使用产品（EUP）指令（EC640/2009）对电机的能效提出了严格的要求，并于2017年强制实施。

更好的系统性能和整体系统尺寸也推动了电机选择和控制算法的使用。例如，冰箱通常根据其能源效率进行评级，而新的吊扇设计更安静、更高效，甚至更小。通过从传统的交流感应电机迁移到高压BLDC 电机，可以为用户带来这些好处。

市场趋势与挑战

传统的有刷电机和交流感应电机构成了当今工业中使用的大部分电机。由于追求更低的功耗、更好的系统性能和更低的成本，趋势已经发生了变化。一些常见的变化包括：

? 从有刷直流(BLDC) 电机迁移到无刷直流(BLDC) 电机

? 从交流感应电机迁移到PMSM 和BLDC 电机

? 从传感器迁移到无传感器电机控制

? 越来越多地使用变频驱动算法和无传感器FOC

然而，这一转变遇到了一些阻力。传统电机技术的制造成本可以很好地摊销。开发和部署新的电机控制技术需要电机控制硬件平台和电机控制软件的研发成本。此外，由于附加功能导致物料清单(BOM) 数量增加，因此设计尺寸可能不适合较小的外形尺寸。

尽管存在这些阻力，转向更新的电机技术的趋势仍在继续。对更节能、更高性能的电机设备的需求正在降低开发成本。此外，PAC IC 等高度集成的解决方案有助于简化整体系统设计并降低开发、构建和销售此类设备的成本。

使用基于CORTEX-M0 的电源应用控制器(PAC) 系列的电机解决方案

电源应用控制器(PAC) 是一个IC 系列，它将ARM Cortex-M0 内核与复杂的模拟和电源管理外设集成在一起，解决了许多设计问题，并提供单个IC 来运行复杂的变频驱动器磁场定向控制硬件解决方案以及其他设计占用空间较小的控制算法。图1 显示了PAC IC 的总体框图。

Cortex-M0 处理器的最小配置只有12k 个门，结合了一系列优势，包括超低功耗性能和低硅成本。该内核采用32 位可编程处理器，具有极短的中断延迟、简单的编程模型和内置的故障异常处理，已在超过10 亿个现场部署设备中证明了其自身的能力。

Cortex-M0 内核通过多模式电源管理（MMPM）、可配置模拟前端（CAFE）、数据转换器、自动采样序列器和100 MHz PWM 引擎以及其他硬件外设进行了增强。这些因素结合在一起，为Cortex-M0 处理器提供了更好的性能。例如，MMPM 使PAC IC 能够管理交流输入电源（在AC-DC 反激配置中）或高达72V 的直流输入（在降压或升压模式下）。此外，MMPM 中包含的四个板载LDO 提供系统电源轨，从而无需额外的IC 来管理系统电源。

Cortex-M0 处理器包括许多内置功能，使软件开发人员能够创建可靠的系统。故障检测功能可以检测到许多错误情况，然后可以快速恢复，或提供诊断信息以帮助调试情况。强大的CAFE 块进一步增强了安全功能。该模块使可编程增益放大器（PGA） 能够检测系统故障，该故障可能由通过电机相位的电流条件引起，并通过关闭栅极驱动器、中断Cortex-M0 处理器和启用进一步的软件操作来响应被带走。

使PAC 能够为变频驱动电机运行复杂FOC 算法的关键特性之一是获得专利的自动采样定序器块。图3a 显示了PAC 的操作，它释放了Cortex-M0 处理器以专注于应用程序代码，而图3b 显示了一个典型的MCU，它必须监控数据采集过程，从而占用MCU 内核。

电机控制系统解决方案

PSMS 电机通常用于牵引、机器人或航空航天设备的工业自动化，需要更大的功率和更高的智能。在系统级别，这需要电机控制硬件解决方案，该解决方案占用空间小，集成度更高，BOM 数量更少，硬件性能更高，以运行复杂的算法。PAC5250 通过集成600V 栅极驱动器和用于FOC 的ARM Cortex-M0 来简化系统设计。如图4 所示，基于PAC5250 的系统只需要额外的无源元件，从而显着减少整体系统BOM 数量。

对于BLDC 电机，PAC5223 能够驱动高达72V 的栅极，并且可以在有或没有外部传感器的情况下运行。在Cortex-M0 上运行精确控制算法的能力使BLDC 电机能够在没有任何传感器的情况下运行，从而进一步减少了所需的外部组件的数量。

电机控制固件/软件

在一些电机被封装的应用中，基于传感器的解决方案是不切实际的，因为通过外壳获得反馈线的成本很高。这就是无传感器FOC 系统通过处理控制器上已有的信号为设计人员提供信息的地方。用于估计反电磁场（EMF） 波形和检测任何滑动的软件模型对于同步和异步系统变得至关重要。无论采用何种技术，生产稳定软件传感器的过程都极具挑战性。需要使用FOC 的应用将在PAC52XX 电机中找到功能，它为FOC 应用提供成本和可编程性之间的最佳平衡。

随着越来越多的应用依赖于BLDC 和PSMS 电机，例如医疗设备、家用电器、楼宇控制、工业自动化和机器人技术，提供更多智能控制和提高效率的压力越来越大。用于电机控制的基于微控制器的电子换向还有助于满足政府机构和消费者对更低功耗和更高效率的需求。高度优化的PAC 系列IC 由ARM Cortex-M0 处理器与高度复杂的、可配置的模拟和电源管理外设相结合，提供了满足为变频驱动器实施复杂算法所需的处理的解决方案。此外，

关于本文及其作者：

Suribhotla Rajasekhar 是Active-Semi International 的营销总监，Tim Menasveta 是ARM 的Cortex-M 处理器产品经理。

编辑：hfy