無處不在的有刷電機于 19 世紀初推出，依靠用于驅動轉子的定子線圈中的電流機械換向。現在，軟件換向算法的創新和嵌入式微控制器成本的降低正在為新一代無刷直流電機、高壓交流電機和永磁同步電機 （PMSM） 注入新的活力。這些電機可為一系列應用提供顯著的功率和性能優勢，包括冰箱和冰柜、洗衣機和烘干機、加熱和冷卻系統 （HVAC） 以及家庭和花園電動工具等家用電器。通過集成 32 位 ARM Cortex-M0 處理器內核以及復雜的可配置模擬和電源管理，Active Semiconductor 的 Power Application Controller? （PAC） 系列集成電路以可承受的成本提供更智能的電機控制，從而推動了這一創新浪潮。高度集成的解決方案不僅減少了系統組件數量并提高了能源效率，而且還通過自動故障緩解系統提高了安全性。

電動機市場可以通過多種方式進行細分。典型的細分是交流對直流（采用典型控制方法），一些示例如下表 1 所示。 流行的控制方法范圍從簡單的電壓控制到更復雜的電子換向，包括電壓頻率 （V/f）、脈沖寬度調制 （PWM） 控制、120 度梯形控制或磁場定向控制 （FOC）。細分市場的其他方法是通過馬力，這通常與執行節能考慮相關，或者通過最終應用，這可能對系統考慮因素產生重大影響，例如傳感器或無傳感器操作、速度控制、扭矩控制和初始位置檢測。

與任何電子系統一樣，必須考慮確保性能、設計占用空間、成本和能源效率之間的平衡。由于全球使用的電機數量龐大，能源效率已成為傳統電機技術替代的最強大驅動力之一。認識到這種節能需求后，一些政府機構已開始強制要求電動機的節能目標，尤其是那些高于特定額定功率的電動機。例如，歐洲的能源使用產品 （EUP） 指令 （EC640/2009） 對電機的能效提出了嚴格要求，并于 2017 年強制執行。此外，

更好的系統性能和整體系統尺寸也在推動電機選擇和控制算法的使用。例如，冰箱通常以其能效為標準，而新的吊扇設計則更安靜、更高效，甚至外形更小。通過從傳統的交流感應電機使用遷移到高壓 BLDC 電機，這些用戶好處是可能的。

市場趨勢與挑戰

傳統的有刷電機和交流感應電機構成了當今行業中使用的大部分電機。由于追求更低的功耗、更好的系統性能和降低成本，趨勢發生了變化。一些常見的變化包括：

? 從有刷電機遷移到無刷直流 （BLDC） 電機

? 從交流感應電機遷移到 PMSM 和 BLDC 電機

? 從傳感器遷移到無傳感器電機控制

? 增加使用變頻驅動算法和無傳感器 FOC

然而，這種轉變遇到了一些阻力。傳統電機技術的制造成本可以很好地攤銷。開發和部署新的電機控制技術會產生電機控制硬件平臺和電機控制軟件的研發成本。此外，由于附加功能導致物料清單 （BOM） 數量增加，設計占用空間可能不適合較小的外形尺寸。

盡管存在這些不利因素，遷移到更新的電機技術的趨勢仍然存在。對更節能和更高性能的基于電機的設備的需求正在降低開發成本。此外，PAC IC 等高度集成的解決方案有助于簡化整體系統設計，降低開發、構建和銷售此類設備的成本。

采用基于 CORTEX-M0 的電力應用控制器 （PAC） 系列的電機解決方案

電源應用控制器 （PAC） 是一個 IC 系列，它集成了 ARM Cortex-M0 內核以及復雜的模擬和電源管理外設，解決了許多設計問題，并為運行復雜的變頻驅動器磁場定向控制提供了單 IC 硬件解決方案和其他控制算法，設計占用空間小。圖 1 顯示了 PAC IC 的一般框圖。

Cortex-M0 處理器的最小配置只有 12k 個門，結合了一系列優勢，包括超低功耗性能和低硅成本。該內核采用 32 位可編程處理器，具有極短的中斷延遲、簡單的編程模型和內置的故障異常處理，已在超過 10 億個現場部署設備中證明了其自身的能力。

Cortex-M0 內核通過多模式電源管理 （MMPM）、可配置模擬前端 （CAFE）、數據轉換器、自動采樣序列器和 100 MHz PWM 引擎以及其他硬件外設進行了增強。這些因素結合在一起，為 Cortex-M0 處理器提供了更好的性能。例如，MMPM 使 PAC IC 能夠管理交流輸入電源（在 AC-DC 反激配置中）或高達 72V 的直流輸入（在降壓或升壓模式下）。此外，MMPM 中包含的四個板載 LDO 提供系統電源軌，從而無需額外的 IC 來管理系統電源。

Cortex-M0 處理器包括許多內置功能，使軟件開發人員能夠創建可靠的系統。故障檢測功能可以檢測到許多錯誤情況，然后可以快速恢復，或提供診斷信息以幫助調試情況。強大的 CAFE 塊進一步增強了安全功能。該模塊使可編程增益放大器 （PGA） 能夠檢測系統故障，該故障可能由通過電機相位的電流條件引起，并通過關閉柵極驅動器、中斷 Cortex-M0 處理器和啟用進一步的軟件操作來響應被帶走。

使 PAC 能夠為變頻驅動電機運行復雜 FOC 算法的關鍵特性之一是獲得專利的自動采樣定序器塊。圖 3a 顯示了 PAC 的操作，它釋放了 Cortex-M0 處理器以專注于應用程序代碼，而圖 3b 顯示了一個典型的 MCU，它必須監控數據采集過程，從而占用 MCU 內核。

電機控制系統解決方案

PSMS 電機通常用于牽引、機器人或航空航天設備的工業自動化，需要更大的功率和更高的智能。在系統級別，這需要電機控制硬件解決方案，該解決方案占用空間小，集成度更高，BOM 數量更少，硬件性能更高，以運行復雜的算法。PAC5250 通過集成 600V 柵極驅動器和用于 FOC 的 ARM Cortex-M0 來簡化系統設計。如圖 4 所示，基于 PAC5250 的系統只需要額外的無源元件，從而顯著減少整體系統 BOM 數量。

對于 BLDC 電機，PAC5223 能夠驅動高達 72V 的柵極，并且可以在有或沒有外部傳感器的情況下運行。在 Cortex-M0 上運行精確控制算法的能力使 BLDC 電機能夠在沒有任何傳感器的情況下運行，從而進一步減少了所需的外部組件的數量。

電機控制固件/軟件

在一些電機被封裝的應用中，基于傳感器的解決方案是不切實際的，因為通過外殼獲得反饋線的成本很高。這就是無傳感器 FOC 系統通過處理控制器上已有的信號為設計人員提供信息的地方。用于估計反電磁場 （EMF） 波形和檢測任何滑動的軟件模型對于同步和異步系統變得至關重要。無論采用何種技術，生產穩定軟件傳感器的過程都極具挑戰性。需要使用 FOC 的應用將在 PAC52XX 電機中找到功能，它為 FOC 應用提供成本和可編程性之間的最佳平衡。

隨著越來越多的應用依賴于 BLDC 和 PSMS 電機，例如醫療設備、家用電器、樓宇控制、工業自動化和機器人技術，提供更多智能控制和提高效率的壓力越來越大。用于電機控制的基于微控制器的電子換向還有助于滿足政府機構和消費者對更低功耗和更高效率的需求。高度優化的 PAC 系列 IC 由 ARM Cortex-M0 處理器與高度復雜的、可配置的模擬和電源管理外設相結合，提供了滿足為變頻驅動器實施復雜算法所需的處理的解決方案。此外，

關于本文及其作者：

Suribhotla Rajasekhar 是 Active-Semi International 的營銷總監，Tim Menasveta 是 ARM 的 Cortex-M 處理器產品經理。

編輯：hfy