电动工具无刷电机低成本控制解决方案——基于Active-Semi PAC5223集成全桥驱动芯片

上海泽兆电子科技有限公司

电动工具无刷电机低成本控制解决方案
——基于Active-Semi PAC5223集成全桥驱动芯片

上海泽兆电子科技有限公司

随着电动工具行业中锂电工具份额的不断扩大，直流无刷趋势日益明显，小型、便携、低成本的锂电工具已成为了制造企业在产品投放市场时重点考虑的因素。

上海泽兆电子科技有限公司根据行业特点开发无刷电机控制方案，2015年与美国ACTIVE-SEMI公司合作，针对电动工具等产品最新开发了一款基于Active-semi平台PAC5223低成本控制方案，具有小尺寸、低成本、高效能等特点，集成了BLDC控制的电源转化、半桥驱动，是一款电动工具主流控制方案。

针对电动工具无刷控制的集成芯片特点

产品介绍

（Active-Semi, Inc.）官网消息，其基于节能应用控制器（PAC）的直流无刷电机控制芯片产品系列增加了新的成员PAC5223集成芯片，以及四个新的开发板和完备的固件解决方案。PAC5223提供业界性能领先的最低成本系统级解决方案，可支持高达72 V的三相直流无刷电机（BLDC）。此外，新的开发板和固件支持无传感器的梯形波控制和磁场导向控制（FOC）的变频控制。它不仅降低了开发成本，并可快速研发出各种原型机样品，包括电动工具，园林工具，无人机，无线电遥控车，直流风扇以及各种通用的直流无刷电机应用。PAC5223是颗系统级集成芯片，包括可用于三相控制的高达72 V的栅极驱动器，多模式电源管理，可配置的模拟前端，内置的ARM Cortex内核以及技领半导体公司特有的总体休眠模式和其它各种具备专利保护的功能，并提供了最小的系统设计和最高的系统效率。

产品特点

PAC™IC系列集成了完善的，可配置的电源管理模块及模拟外设，例如：

●多模式电源管理 - 支持AC-DC，DC-DC，反激式PFC，高压降压及降压转换等

●可配置的模拟前端 - 设有2个前置比较器，单端和差分可调增益运算放大器，温度监控等

●专用栅极驱动器 - 具有开漏极驱动，支持52 V，72 V和600 V输入电压，高侧/低侧栅极驱动器

●数据采集模块

●PWM引擎 - 4个定时器，14个PWM通道

●32位ARM®Cortex MCU - 包括GPIO, I2C, SPI， UART，SWD和其他外围配置

PAC52xx集成电路产品系列基于32位ARM®Cortex M0嵌入式微控制器内核，主频50 MHz，具有32 kB闪存，8 kB SRAM。这些产品还集成了晶振驱动。在一个微小的6×6 mm QFN封装内，PAC5223包含了多种功能以增加其客户端价值。当输入电压小于20 V可直接连到芯片的电源管脚，20 V～72 V的电压输入可使用集成的直流降压转换控制器以降低系统成本。此外，四个集成的低压稳压器（LDO）进一步简化了系统的电源管理。这些完备和可高度配置的模拟及数字处理功能使PAC5223为各种终端应用，如电动工具，园林工具，无人机，无线电遥控车，空气流动系统和通用高压直流无刷电机特别是无传感器控制提供了理想的单芯片解决方案。

EP-HYDRA-X23-1和EP-HYDRA-X23S-1评估套件扩展了HYDRA-X家族成员，并使得用户能快速实现基于PAC5223的原型机设计。另外还提供了EH-BLDCM1-1和EH-FOC1-1等HYDRA-X插接板以及电机控制固件和调节软件。所有这些提供的硬件，固件及软件极大地简化了有传感器和无传感器电机变频控制的开发应用。Active-semi半导体提供最小尺寸为20×30 mm的参考设计，该方案支持三相直流无刷电机的变频控制。在BLDC应用开发可以提供健全的开发资料、开发DEMO板、与仿真工具等。

产品应用

内设丰富配置的PAC5223集成了MCU,BLDC-Drive、DC-DC等电路一体，非常适合应用于BLDC对控制要求体积小，精度高、产品稳定性强的BLDC产品；如电动扳手、电动螺丝刀、电磨、园林工具、无人机、航模等产品。

低压锂电工具无刷控制设计原理

无传感器BLDC控制

无传感器无刷直流（Brushless DC，BLDC）电机控制算法采用dsPIC®数字信号控制器（digital signal controller，DSC）实现。该算法对电机每相的反电动势（back-Electromotive Force，back-EMF）进行数字滤波，并基于滤得的反电动势信号来决定何时对电机绕组换相。这种控制技术不需要使用离散式低通滤波硬件和片外比较器。 目前，BLDC电机的应用非常广泛，这里描述的算法一般适合于电气RPM范围为40 k～100 k以内的BLDC电机。运行于此RPM范围内的一些BLDC电机应用可以是模式化RC电机、风扇、硬盘驱动、气泵以及牙钻等。

闭环控制

通过闭环测量当前电机转速而达到控制电机的转速的目的，通过计算期望转速和实际转速的误差，使用PID算法去调节PWM的占空比以达到控制电机转速的目的。对于低成本，低转速的应用场合，可以使用霍尔传感器获得转速反馈。利用PAC52XX微控制器本身的定时器去测量两个霍尔元件输出信号，然后根据信号得出实际转速。一般电动工具电机转速在低速范围内。

最大扭矩

最大扭矩可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到。另外，还有一些额外的因素影响最大需求扭矩如：气隙空气的阻力等，这就需要至少20%的扭矩余量，综上所述，有以下等式：

TJ为电机启动或加速过程需要克服的转动力矩，其主要包括电机转子的转动力矩和负载的转动力矩，其表示为：

上式中α为加速度，JL+M为定子和负载的转动力矩。电机的机械轴决定电机的负载力矩和摩擦力。

转速控制

这是有应用需求的转速。比如，吹风机的转速需求是最高转速和平均转速相差不大，显然在一些点对点定位系统，如传送带和机械臂系统中就需要大转速范围的电机，可以根据电机的转速梯形曲线（如右图）确定电机的转速需求。通常，由于其他因素，在计算电机转速需求时候应留有10%的余量。

电机曲线

电动扳手量产方案设计

量产产品原理图

量产产品实物图