【導(dǎo)讀】各種半導(dǎo)體集成技術(shù)為基于同步電機(jī)的分布式智能小型驅(qū)動(dòng)解決方案提供了層出不窮的應(yīng)用機(jī)會(huì)。這些同步電機(jī)包括了無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)、永磁同步電機(jī)(PMSM)和步進(jìn)電機(jī)。由于它們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和不斷提高的效率，這些電機(jī)正在替代許多現(xiàn)有應(yīng)用中的有刷電機(jī)。汽車就是一個(gè)很好的例子。
典型的汽車元件必須滿足低系統(tǒng)成本、小型化、輕型化和可靠的要求，并具有很高的效率。減少尾氣排放和降低燃料消耗也很重要。與寬范圍電機(jī)一起工作的驅(qū)動(dòng)概念的需求以及對(duì)效率、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)的特殊要求，對(duì)執(zhí)行器電路有很大的影響。
無(wú)刷直流電機(jī)市場(chǎng)
美國(guó)有大量的無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)制造商。大多數(shù)公司仍然專注于有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等電機(jī)技術(shù)，但其中許多公司已經(jīng)將BLDC電機(jī)作為新產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)。雖然市場(chǎng)上有許多BLDC電機(jī)制造商，特別是微型BLDC電機(jī)的制造商，但市場(chǎng)上并沒(méi)有很多一體化的控制電子解決方案。能夠制造內(nèi)置智能電路的BLDC電機(jī)而且采用低成本方法的公司在市場(chǎng)上仍是鳳毛麟角。
BLDC電機(jī)技術(shù)的普及率正在提升。許多汽車功能，比如油泵或水泵、采暖通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)、彎道照明、頭燈調(diào)節(jié)等等，都在從有刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)換為BLDC電機(jī)技術(shù)。是的，這并不能說(shuō)明所有有刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)都將轉(zhuǎn)換為BLDC電機(jī)技術(shù)。但與電機(jī)本身價(jià)格相比電機(jī)控制電路價(jià)格太貴的主流觀點(diǎn)正在日益消退。另外，BLDC電機(jī)優(yōu)勢(shì)可以顯著增強(qiáng)其它系統(tǒng)屬性(參考表1)。因此，一場(chǎng)智能電機(jī)控制的革命大幕即將開啟。
無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)
與其它競(jìng)爭(zhēng)性的電機(jī)技術(shù)相比，無(wú)刷直流電機(jī)有諸多優(yōu)勢(shì)，見表1所示。
表1，無(wú)刷直流電機(jī)優(yōu)勢(shì)小結(jié)
從有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)換為無(wú)刷直流電機(jī)面臨的問(wèn)題？
觀察包括有刷直流電機(jī)(BDC)在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)很明顯地發(fā)現(xiàn)，控制的復(fù)雜性要低于無(wú)刷電機(jī)(BLDC)電機(jī)。簡(jiǎn)言之，你只需要給有刷電機(jī)加上電，它就可以開始工作了。在BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)方面缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師經(jīng)常害怕他們會(huì)難以轉(zhuǎn)到BLDC電機(jī)技術(shù)，即使他們知道BLDC的優(yōu)勢(shì)所在。這種系統(tǒng)的復(fù)雜電路和編程被認(rèn)為是攔路虎。另外，由于電子換向而導(dǎo)致的較高系統(tǒng)成本也經(jīng)常被認(rèn)為是影響B(tài)LDC普及的一個(gè)因素。
然而，從有刷電機(jī)轉(zhuǎn)換到無(wú)刷電機(jī)并沒(méi)有想象中那么困難。借助Micronas公司HVC 4223F單芯片解決方案，電路可以做得相當(dāng)簡(jiǎn)單。
下面這個(gè)例子概括介紹了一種解決方案，這種方案只需包括HVC4223F在內(nèi)的13個(gè)元件。如果系統(tǒng)已經(jīng)包含有PCB，那么對(duì)物料清單(BOM)的影響是不大的。在許多情況下，我們可以使用更小的電機(jī)，因?yàn)檫@些電機(jī)具有更高的效率。執(zhí)行器也可以更小，從而進(jìn)一步減小物料成本(電機(jī)、外殼和齒輪等)。另外，在某種程度上，采用HVC4223F設(shè)計(jì)的BLDC控制系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)編程后，可以使它從外面看就好像是有刷電機(jī)一樣——只需連接VBAT和地提供電源即可。因此，現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)需改變完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)就能升級(jí)。而從長(zhǎng)期來(lái)看，這種系統(tǒng)還可以進(jìn)一步改進(jìn)，比如增加聯(lián)網(wǎng)功能和/或診斷功能等。消費(fèi)者不必從頭開始做軟件開發(fā)，因?yàn)楝F(xiàn)有的應(yīng)用筆記和演示軟件可以提供足夠的功能。
旨在實(shí)現(xiàn)最高系統(tǒng)集成度和靈活驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的單芯片架構(gòu)
新的Micronas高壓控制器(HVC)允許使用采用高集成度電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)達(dá)到現(xiàn)代永勵(lì)直流電機(jī)的性能。HVC 4223F是一款集成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，含有可直接驅(qū)動(dòng)PMSM/BLDC電機(jī)和雙極步進(jìn)電機(jī)所必要的外設(shè)模塊。這些外設(shè)模塊的編程功能和用戶定義的軟件允許最佳匹配不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能和屬性。
由于使用了低功耗/重量比(W/kg)的PMSM/BLDC電機(jī)，驅(qū)動(dòng)解決方案的集成度越來(lái)越高，因此影響到功耗(功率/熱管理)、驅(qū)動(dòng)電路的靈活性和所選的驅(qū)動(dòng)，以及診斷選擇。高集成度的電路要求通過(guò)特定目標(biāo)功耗管理來(lái)適應(yīng)熱工作條件。新的HVC系列提供的許多功能正好支持這種適應(yīng)性。
針對(duì)不同應(yīng)用和工作模式調(diào)整的電機(jī)激活
在汽車執(zhí)行器中不同驅(qū)動(dòng)概念的使用要求方便地適應(yīng)電機(jī)電源電橋和橋的激活方式。HVC 4223F通過(guò)可配置的最終輸出級(jí)、高集成度和可編程的外設(shè)模塊以及功能強(qiáng)大的ARMCortex?-M3?內(nèi)核來(lái)精準(zhǔn)地解決這個(gè)問(wèn)題。HVC 4223F中集成了6個(gè)n/n半橋(包括充電泵)。通過(guò)適當(dāng)?shù)妮敵鲆_電路布線和軟件配置，這些半橋可以很好地適應(yīng)電機(jī)類型。
EPWM模塊(增強(qiáng)型脈寬調(diào)制)支持針對(duì)不同工作模式和電機(jī)類型的無(wú)源和有源續(xù)流電流圖案(“異步/同步整流”)(見表2)。集成的電流測(cè)量功能和數(shù)模轉(zhuǎn)換器允許編程標(biāo)稱電流值(比如針對(duì)電流控制的微型步進(jìn))。在PMSM/BLDC電機(jī)中，轉(zhuǎn)子位置的反饋信號(hào)無(wú)需使用傳感器，通過(guò)比較器和集成的星點(diǎn)基準(zhǔn)，或者通過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器/編碼器就能發(fā)送。另外，我們可以選擇針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的換向工作模式，比如用于實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。使步進(jìn)電機(jī)適應(yīng)不同工作模式(整步/半步、波型驅(qū)動(dòng)、微步、換向操作)也是可行的，或者可以編程。
表2，采用最新高壓控制器的電機(jī)類型和工作模式一覽
ARM Cortex-M3 CPU可以用來(lái)快速執(zhí)行速度與電流控制算法——由針對(duì)電壓與電流測(cè)量的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和可調(diào)信號(hào)路徑支持。輸出級(jí)包含過(guò)載保護(hù)(過(guò)壓/過(guò)流)和診斷功能。用于電機(jī)啟動(dòng)的集成式外設(shè)模塊(EPWM、比較器、星點(diǎn)基準(zhǔn)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、診斷和過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)、溫度監(jiān)控)可以針對(duì)表中所列工作模式進(jìn)行編程。
使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系統(tǒng)
借助軟件手段，CPU和閃存可以實(shí)現(xiàn)特別高的系統(tǒng)靈活性，比如滿足旋轉(zhuǎn)速度和電流控制的實(shí)時(shí)要求、分布式執(zhí)行器系統(tǒng)(如LIN集群)中的通信以及診斷功能。主振蕩器已經(jīng)集成在里面。我們可以在不影響外設(shè)功能的情況下逐步降低CPU周期來(lái)降低功耗。為了減少電磁輻射，其中還包含了一個(gè)電磁干擾抑制模塊(ERM)。所有外設(shè)模塊都可以通過(guò)AHB/APB總線系統(tǒng)進(jìn)行編程，進(jìn)而滿足系統(tǒng)要求。集成的NVRAM允許存儲(chǔ)診斷和應(yīng)用數(shù)據(jù)。
在電源方面，高壓控制器系列產(chǎn)品是直接通過(guò)12V板載電氣系統(tǒng)供電，并符合ISO 7337測(cè)試脈沖要求的。啟停系統(tǒng)由專門的“保留模式”提供支持。與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，集成的開關(guān)穩(wěn)壓器(降壓轉(zhuǎn)換器)可以最大限度減小功率損失。節(jié)能模式可以為比如K1.30應(yīng)用提供低功耗。外部負(fù)載(如霍爾傳感器)可以通過(guò)可編程高側(cè)開關(guān)進(jìn)行供電。
針對(duì)分布式小型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(如HVAC系統(tǒng))中的通信，高壓控制器中集成了LIN-UART和LIN物理層。另外，LIN集群中還有第二個(gè)LIN引腳可用，它具有自動(dòng)尋址功能，例如可用在HVAC閥門應(yīng)用中。這里介紹的系統(tǒng)集成和網(wǎng)絡(luò)功能是小型和微型電機(jī)進(jìn)一步微型化和提高集成度的重要途徑。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性受所用驅(qū)動(dòng)電路的影響很大。新高壓控制器架構(gòu)包含有擴(kuò)展診斷和保護(hù)功能，其SPFM超過(guò)60%(“ASIL可用”)。這對(duì)于符合ISO 26262的系統(tǒng)級(jí)分解來(lái)說(shuō)很重要，即對(duì)于將安全與安保要求分配給各個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)單元來(lái)說(shuō)也很重要，并且可以在系統(tǒng)、硬件和軟件級(jí)來(lái)進(jìn)行。
由于元件數(shù)量的減少，高系統(tǒng)集成度對(duì)要求的系統(tǒng)失效率FIT(故障時(shí)間)有積極的影響。
用軟件實(shí)現(xiàn)“熱管理”就是一個(gè)有關(guān)靈活診斷的極好例子。
圖1：BLDC電機(jī)中的電路集成
通過(guò)評(píng)估電流和溫度，我們就可以采取一定的措施來(lái)適應(yīng)工作環(huán)境，比如減少CPU周期，限制電機(jī)電流，改變電機(jī)電橋中的續(xù)流電流圖案等等。
新的HVC 4223F采用6mm×6mm小型40引腳QFN封裝，非常適合微型化，并將電路集成到電機(jī)或執(zhí)行器中。另外，“外露的焊盤”(ePAD)可以保證良好的導(dǎo)熱連接。-40℃至+150℃的結(jié)點(diǎn)溫度范圍和集成的過(guò)溫監(jiān)控允許其在溫度惡劣的應(yīng)用中使用。
用BLDC電機(jī)定位執(zhí)行器的應(yīng)用例子
用于定位應(yīng)用的機(jī)械執(zhí)行器通常需要提供高扭矩(比如在閥門、襟翼等應(yīng)用中)。通常負(fù)載端要用到齒輪來(lái)獲得低轉(zhuǎn)速(rpm)，但這會(huì)由于摩擦而引入相當(dāng)大的損耗。在許多情況下，執(zhí)行器必須施加一個(gè)穩(wěn)定的保持扭矩，并且不應(yīng)丟失其最后的位置，以避免校準(zhǔn)運(yùn)行。由于重量減輕和空間限制，電機(jī)和電路的幾何結(jié)構(gòu)扮演著重要的角色。本例介紹了一種單芯片電機(jī)執(zhí)行器解決方案，由HVC4223F驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)，并通過(guò)LIN通信接口完成無(wú)傳感器的六步換向。圖2顯示了通過(guò)HVC 4223F單芯片解決方案集成完整電路的閥門執(zhí)行器的原理系統(tǒng)。
表3，HVC 4223F所用外設(shè)功能一覽表
硬軟件交互和電路解決方案
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中軟硬件的高效交互取決于可用芯片外設(shè)的特定功能分布情況。表3總結(jié)了針對(duì)圖2所示無(wú)傳感器六步換向系統(tǒng)的一種可行方法，包括轉(zhuǎn)速和電流控制、診斷功能和通信棧。軟件架構(gòu)可以是比如帶中斷的一個(gè)簡(jiǎn)單輪詢。
圖2：使用BLDC電機(jī)的系統(tǒng)例子
圖3給出了這種系統(tǒng)的基本電路解決方案。電機(jī)的外部元件數(shù)量可以減少到12個(gè)元件的最小值(參考圖3中的表格)。如若有特殊的系統(tǒng)靜電放電和/或電磁兼容要求，比如在直流供電鏈路或LIN信號(hào)路徑中，某些附加元件比如磁珠可能就會(huì)需要。
圖3：原理電路解決方案
本文小結(jié)
由于電路成本在不斷下降，使用BLDC電機(jī)技術(shù)的小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案的數(shù)量將不斷增加。Micronas公司提供的高集成度單芯片HVC 4223F解決方案就是這種技術(shù)發(fā)展的一個(gè)催化劑。
電機(jī)的品種和功能將不斷增加，包括智能驅(qū)動(dòng)器之間的聯(lián)網(wǎng)功能。另外，我們必須滿足對(duì)更輕重量、更小尺寸、更高功率密度和更低成本的要求。所用的電機(jī)需要輕便小巧，并能用于分布式LIN總線網(wǎng)絡(luò)。
由于完整的微型電機(jī)平臺(tái)可以用單芯片解決方案開發(fā)，設(shè)計(jì)時(shí)間可以大大縮短。通過(guò)適當(dāng)?shù)匦薷能浖覀兙涂梢赃m應(yīng)不同的電機(jī)類型和屬性。今天的有刷直流電機(jī)解決方案完全可以用無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)1:1替代，而這從外部看來(lái)就像是傳統(tǒng)的電機(jī)，但內(nèi)部則可以提供實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)動(dòng)控制所需的所有優(yōu)勢(shì)。
自診斷和功能安全的作用越來(lái)越大。通過(guò)電子技術(shù)“集成了智能”的驅(qū)動(dòng)器可以提供這種診斷功能。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)電機(jī)的屬性可能在整個(gè)生命周期內(nèi)隨時(shí)改變。這些效應(yīng)可以被電路跟蹤和存儲(chǔ)，并可進(jìn)行一定程度的調(diào)整。
修改軟件可以滿足大量的功能和應(yīng)用要求?？蛻糁恍枰环N控制器就能高效地配備一個(gè)完整的執(zhí)行器平臺(tái)。少量的分立元器件和高集成度提供了高度的微型化，并能實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)代電機(jī)優(yōu)勢(shì)和好處的經(jīng)濟(jì)性解決方案。高度的軟硬件復(fù)用性則允許快速響應(yīng)不斷變化的用戶要求。
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