BLDC 和集成电机驱动器是提高机器人和无人机效率的关键

自 20 世纪 60 年代开发成功以来，无刷直流 (BLDC) 电机已被证明比之前的有刷直流 (DC) 电机效率更高、使用寿命更长。在大功率工业应用转向采用同步交流 (AC) 电机的同时，许多其他应用也开始使用 BLDC 电机。

如今，BLDC 电机已渗透到消费者日常生活方方面面。在采用电池供电的工具（如电钻和吹叶机）、家用电器（如洗衣机和打印机）以及电动自行车和电动汽车中都能找到它们的身影。在工业环境中，BLDC 电机已用于运动控制和材料处理应用。BLDC 电机还为无人地面车辆 (UGV)、无人机和类似的无人驾驶飞行器 (UAV) 以及手术机器人和辅助外骨骼提供动力。

有刷 DC 电机依靠金属或碳换向器电刷将电能输送到电机绕组，而 BLDC 电机则是非接触式的。由于没有摩擦和磨损，因此效率更高，维护需求更少，电机寿命更长。BLDC 的性能也更好，拥有更快的速度、更大的扭矩和更高的功率重量比。借助先进的控制系统，BLDC 电机几乎可以在瞬间改变速度或扭矩，并提供精确定位，确保安全。

先进 BLDC 电机驱动器所展现出的卓越性能，使得这类电机及其控制系统对设计现代机器人和无人机应用的工程师来说极具吸引力 —— 这类应用通常要求具备小型化、高速、高精度、高安全性以及低维护需求等特性。

BLDC 电机基本原理

BLDC 电机由三部分式结构如此简单，简直令人难以置信。静止的定子配备两到八组铜绕组，分布在一个圆周上，周围环绕着或平行于配备永久磁铁的转子（图 1）。电机控制器与定子连接，用于获取位置数据并为绕组供电。

图 1： 三相 BLDC 电机控制器通过切换定子绕组（U、V、W 相）的通电状态及电流极性，改变定子磁场的方向。内置永磁体的转子（蓝色部分）随之转动，从而与定子磁场保持方向一致。(图片来源：Qorvo）

给定子中的一组绕组通电会产生一个磁场，转子的永久磁铁会对该磁场做出响应。相反磁极之间的吸引力导致转子旋转。在转子对准定子磁场之前，控制器会切换通电绕组，改变磁场方向，使转子持续转动。

实际上，控制器发送到定子的电流脉冲会从导通变为断开，并按照一定的频率切换极性，以使用某种波形来表示电流。图 1 所示的切换方案用梯形波表示。包括永磁同步电机 (PMSM) 在内的其他类型电机的具有正弦波。这类电机在结构上与 BLDC 电机相似，但通过变化的电流驱动磁场旋转，且转子与该磁场保持同步锁定状态。调整这些波的振幅和相位可改变电机的转速和可用扭矩。

控制器还能接收来自诸如霍尔效应传感器或光电编码器等位置传感器的持续反馈信息。在无传感器 BLDC 电机中，反向电动势 (BEMF) 的测量值——即通电绕组产生的磁场在未通电绕组中产生的电流，可用于确定转子的位置。

电机驱动器的开发

鉴于 BLDC 电机的监控、供电和控制均需要复杂的结构，因此，在工业环境中，使用固态电子设备的老式 BLDC 电机控制器需要独立的机柜空间以及于连接电机的粗大的电源和数据线，这一点也不足为奇。日益精密的集成电路 (IC) 推动电机控制器不断小型化，直至可集成到印刷电路板 (PCB) 上。尽管实现了微型化，当今电机控制器的功能仍在持续拓展。

例如 Qorvo 的 ACT72350 三相 BLDC 电机驱动器（图 2）。这款驱动器将可配置模拟前端 (AFE)、适配各种电源配置的电源管理模块和专用电机驱动器 (ASPD) 集成在一个 9 mm×9 mm 四方形扁平无引线 (QFN) 表面贴装器件中。

图 2：ACT72350 集成式三相 BLDC 电机驱动器在紧凑的表面贴装封装中整合了 AFE 电路和可配置电源管理功能。(图片来源：Qorvo）

ACT72350 的可配置 AFE 配备三个差分可编程增益放大器、四个单端可编程增益放大器、两个 10 位数模转换器和十个比较器，使其成为连接传感器和控制电路的桥梁。该 AFE 还能通过串行外设接口 (SPI) 从外部微控制器 (MCU) 接收脉宽调制 (PWM) 控制信号。

可配置的电源管理模块使 ACT72350 能够接受 25 V 至 160 V 的 DC 输入电压，包括高达 20S 标准的电池电量（充满电后标称电压为 72 V 或 84 V）。该模块的高压开关电源可提供稳定的 12 V 或 15 V 输出电压，还可为 ACT72350 的模块和 MCU 提供稳定的 5 V、200 mA 电源。

ACT72350 的 ASPD 可以采用半桥、H 桥或三相架构驱动电机（图 3）。三个电压为 160 V 的高压侧栅极驱动器和三个电压为 20 V 的低压侧栅极驱动器，每个驱动器均具有 2 A（拉电流）/2 A（灌电流）栅极驱动能力，可实现快速开关性能以提高电机转速。

图 3：ACT72350 的 ASPD 模块框图展示了高压侧与低压侧栅极驱动器。为保障安全，nBRAKE 引脚可由外部控制器激活，使电机停止运行。(图片来源：Qorvo）

ACT72350 减少了控制 BLDC 电机所需的电子元器件数量。该器件将处理模拟信号输入、接收并标准化电源输入以及驱动电机运行的各类模块，集成在一个紧凑的表面贴装封装中。同时，ACT72350 允许任何选定的 MCU 通过 SPI 提供控制信号，从而延续了设计灵活性。

无人机部署

将 BLDC 电机的电子控制器简化为“单一集成封装 + MCU”的架构，已成为无人机及其他无人驾驶飞行器 (UAV) 等对空间和重量要求严苛的应用成功的关键。设计人员为这类系统选择 BLDC 电机，旨在充分利用每平方毫米空间与每克重量，而电机驱动器也需满足此目标。BLDC 电机具有高扭矩重量比，这意味着相比为无人机转子或螺旋桨提供的动力，他们的重量相对较轻。这类电机的能效超过 85%，意味着它们可以携带更大的有效载荷，或在电池单次充满电后的飞行时间更长。

像 ACT72350 这样节省空间的电机驱动器不仅能实现优异的电机性能，还能将多种功能集成在一个小封装中。设计人员无需为无人机和 UVA 配备控制柜和又粗又重的电缆，他们可以使用多个 ACT72350、一个电池组和他们选择的 MCU，并将全部这些器件部署在飞行器上。ACT72350 器件上的高压栅极驱动器支持高速开关工作，保障平稳运行，从而减轻飞行控制板上 MCU 的负载，使其专注于执行更高级别的飞行指令。

对于 UGV 而言，空间和重量效率可能并不那么重要，但设计人员仍会选择 BLDC 电机，因为这类电机在推进应用中具有高扭矩能力，在转向应用中能够实现精确的运动。BLDC 电机因自身维护要求低而在这些应用中备受青睐，这种特性在户外尤为重要。

重塑机器人技术

低维护率 BLDC 电机在机器人领域也很有优势，可确保在高循环应用中的长期可靠性。BLDC 电机可移动工业机械臂、外骨骼、材料夹具和机械手、假肢和仿人伴侣机器人中的关节。

BLDC 电机轻巧、紧凑，有助于所有这些应用高效、高精度运行，并保证其允许的运动范围。使无人机受益的高扭矩重量比，还能让 BLDC 电机在不增加重量或体积的情况下驱动机器人。ACT72350 的集成 AFE 可提供高达 2 A 的拉电流和灌电流能力，可接受来自多个转子位置传感器的信号或用来测量 BEMF，以确保在机器人应用中实现精确的速度控制。

在这些应用中，安全也是重中之重，因为设备经常在人员或高价值货物或设备附近运行。AFE 使系统能够对电子设备或附近人员造成威胁的过热、过压和过流情况做出即时反应。ACT72350 还可通过其 ASPD 的 nBRAKE 引脚实现紧急制动功能。MCU 或冗余安全 MCU 向 nBRAKE 引脚发送 50 µsec 信号，可禁用所有高压侧栅极驱动器，而低压侧栅极驱动器则执行制动，同时忽略 PWM 输入。

结语

在医疗、消费品、汽车、娱乐、工业等领域的许多应用中，设计人员都会选择 BLDC 电机。为充分发挥 BLDC 的高效率、高扭矩输出、高转速、高精度及低维护需求的优势，设计人员还需选择能够应对多种复杂需求的电机驱动器，具体包括处理模拟传感器输入信号、接收 MCU 发出的数字指令、适配电压和电流多变的电源，以及输出驱动电机绕组所需的快速开关电流脉冲。Qorvo 的 ACT72350 等电机控制器将这些功能集成在一个紧凑的封装中，有助于 BLDC 电机在先进应用中取得成功。