典型汽車(chē)零部件必須具有如下特性：低系統成本、小巧、輕便、可靠且高效。同樣重要的是，還要減少廢氣排放及降低燃料消耗。需能驅動(dòng)多種電機這樣一個(gè)驅動(dòng)理念，加之對效率、系統設計和網(wǎng)絡(luò )選項等的極端要求,都對執行器電子設計產(chǎn)生重大影響。

無(wú)刷直流電機市場(chǎng)

在美國有很多BLDC制造商。許多公司仍然專(zhuān)注于諸如有刷直流電機、步進(jìn)電機等技術(shù)。但是它們中的許多家也都在生產(chǎn)BLDC電機作為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基礎。盡管已有許多BLDC電機制造商,尤其是生產(chǎn)小型BLDC的,但市場(chǎng)上，尚沒(méi)有很多集成控制電子方案。有能力能低成本地將智能電子與BLDC電機整合在一起的廠(chǎng)家尚不容易找到。

采用BLDC電機技術(shù)的市場(chǎng)在擴大。諸如燃料或水泵、空調(采暖通風(fēng)和空調)、曲面光、大燈調平及許多其它汽車(chē)功能,正在從有刷直流電機或步進(jìn)電機技術(shù)轉為BLDC電機技術(shù)。當然,這不能一般性地證明有刷直流電機或步進(jìn)電機都將被BLDC電機技術(shù)取代。但電機控制電子與電機本身相比，太過(guò)昂貴這個(gè)主要論點(diǎn)，正一天天失去說(shuō)服力。此外,BLDC電機的優(yōu)點(diǎn)可以顯著(zhù)強化其它系統屬性(見(jiàn)表1)。因此,可以預見(jiàn)向智能運動(dòng)控制這樣一個(gè)變革終將到來(lái)。

無(wú)刷直流電機的優(yōu)勢

與其它電機技術(shù)相比，BLDC電機有若干優(yōu)勢,總列在表1。

表1:BLDC 電機優(yōu)勢一覽。

從有刷直流過(guò)渡到無(wú)刷直流電機的問(wèn)題?

當審視包括有刷直流電機(BDC)的運動(dòng)控制系統時(shí),很明顯,其控制不像無(wú)刷直流電機那么復雜。簡(jiǎn)言之：控制有刷直流電機，只要給個(gè)電壓，電機就會(huì )運轉。對BLDC電機控制系統缺少經(jīng)驗的工程師經(jīng)常擔心在轉用BLDC電機技術(shù)時(shí)會(huì )有困難,即使他們了解BLDC的優(yōu)勢。復雜的電子系統及需對該系統編程被認為是個(gè)障礙。因電子換向導致的較高成本通常被認為是個(gè)“奇葩”。

但從BDC過(guò)渡到BLDC并非困難重重。采用Micronas的HVC 4223F單片方案，電子電路可以相當簡(jiǎn)單。

在下例中給出的方案中,連HVC 4223F在內，只需13個(gè)器件。例如，如果系統已經(jīng)包含電路板,則對BOM影響不大。在許多情況,由于更高效率，可以選用更小電機。執行器也可以更小，從而進(jìn)一步降低材料成本(電機、外殼、齒輪等)。

此外,可對采用HVC 4223F的BLDC控制系統進(jìn)行特定編程,使其從外面看與BDC電機無(wú)異,也只有VBAT和GND兩個(gè)電源連接。因此,可在不改變整個(gè)系統設計的前提下，對現有運動(dòng)控制系統進(jìn)行升級。另外，長(cháng)期看，可通過(guò)諸如網(wǎng)絡(luò )和/或診斷功能等，對系統進(jìn)行改進(jìn)�，F有的應用筆記與演示軟件可提供足夠用的功能，所以客戶(hù)不需要從頭開(kāi)始設計。

用于最大化系統集成和靈活驅動(dòng)系統的單片架構

Micronas的新型高壓控制器(HVC)能支持系統擁有高度集成的電機驅動(dòng)電路以發(fā)揮現代永磁激勵直流電機的性能潛力。HVC 4223F是一款集成的、內置所有必要外圍模塊、可直接驅動(dòng)永磁同步電機/BLDC電機和雙相步進(jìn)電機的微計算機系統。外圍模塊的編程能力和用戶(hù)定義軟件支持針對不同驅動(dòng)系統的屬性和特征，以實(shí)施最優(yōu)適配。

驅動(dòng)方案集成度的不斷增加,使PMSM/BLDC的低功率/重量比(W/kg)成為可能,并影響功耗(功率/熱管理)、驅動(dòng)電路的靈活性和所選的驅動(dòng)方式以及診斷選項。電子的高集成密度要求借助基于特定目標的功率管理對熱工況進(jìn)行適配。新的HVC系列產(chǎn)品提供的許多功能,可精確地實(shí)現這種適配。

根據不同應用和操作模式調適電機激勵

汽車(chē)執行器使用不同驅動(dòng)的概念要求能輕易地匹適電機功率橋,以及該橋是如何激勵的。HVC 4223F以其可配置的最終輸出級、完全集成和可編程的外圍模塊、及一款強大的Cortex-M3內核，完美地解決了這個(gè)問(wèn)題。它集成了6個(gè) n/n半橋(包括充電泵)。通過(guò)對輸出管腳進(jìn)行適當的電路連接及對軟件進(jìn)行配置，這些半橋可適用于不同電機類(lèi)型。

EPWM-Module(增強脈寬調制)支持針對不同操作模式和類(lèi)型的電機的被動(dòng)和主動(dòng)自由環(huán)(free-wheeling)電流模式(異步/同步整流)(見(jiàn)表2)。集成的電流測量和D/A轉換器允許編程標稱(chēng)電流值(例如電流控制的微步進(jìn))。在沒(méi)使用傳感器的PMSM/BLDC電機中,轉子位置反饋信號可通過(guò)比較器和集成星點(diǎn)參考發(fā)送,或通過(guò)采用霍爾傳感器/編碼器實(shí)現。另外,對步進(jìn)電機來(lái)說(shuō)，可選擇通勤模式(commuted mode)以實(shí)現更高轉速。對步進(jìn)電機進(jìn)行調適以滿(mǎn)足不同工作模式(全/半歩、波驅動(dòng)、微步、通勤)也是可能的或可編程的。

表2:帶新型HVC的電機類(lèi)型和操作模式概述。

在高速A/D轉換器及電壓和電流可調測量信號路徑的支持下，Cortex-M3 CPU可快速執行速度和電流控制算法。輸出級包括過(guò)載保護(過(guò)壓/過(guò)電流)和診斷功能。用于電機激勵的集成外圍模塊(EPWM、比較器、星點(diǎn)參考、D/A轉換器、診斷和過(guò)壓/過(guò)流保護、溫度監控)可針對表中列出的操作模式進(jìn)行編程。

帶Cortex-M3 CPU的高效系統

借助軟件，CPU 和閃存允許極高的系統靈活性；例如，支持對轉速和電流控制的實(shí)時(shí)要求、實(shí)現分布式執行器系統(例如LIN集群)的通信和診斷功能。HVC 4223F業(yè)已集成了主振蕩器�？蓪�CPU實(shí)施降頻以降低功耗且不影響外設模塊的功能。為減少電磁輻射,還包括一個(gè)降低EMI的模塊(ERM)�？赏ㄟ^(guò)AHB/APB總線(xiàn)系統對所有外圍模塊進(jìn)行編程并同時(shí)對系統要求進(jìn)行調適�？蓪⒃\斷和應用數據存儲在集成的NVRAM中。

HVC系列產(chǎn)品的工作電源由12V車(chē)載電氣系統直接提供并符合ISO 7337測試脈沖規范。啟停系統由特殊的保留模式支持。與傳統的線(xiàn)性穩壓器相比,集成開(kāi)關(guān)式穩壓器(buck轉換器)降低了功耗。節能模式支持低功耗,如Kl.30應用。外部負載(如霍爾傳感器)可由可編程高側開(kāi)關(guān)供電。

對分布式小型驅動(dòng)系統(例如暖通空調系統)的通信來(lái)說(shuō),HVC集成了LIN-UART和LIN物理層。另外,它還有另一個(gè)帶自動(dòng)尋址功能用于LIN集群的LIN管腳，例如用于暖通空調閥的應用。上述的系統集成和網(wǎng)絡(luò )能力是小型和微型電機進(jìn)一步小型化和集成化之路上的重要一步。

所用的驅動(dòng)電路對驅動(dòng)系統的可靠性具有決定性影響。新HVC的架構包括廣泛的診斷和保護功能，其SPFM大于60%(支持ASIL)。這對按照ISO 26262在系統級的分解很重要；也即,對將安全和防護功能分配給單獨和獨立的系統器件承擔同樣重要，且這種分配可在系統、硬件和軟件層面實(shí)施。

高的系統集成度對要求的系統失效時(shí)間(FIT)率有積極影響,這是因器件數量減少了。

靈活診斷的一個(gè)好例子是通過(guò)軟件實(shí)現熱管理。

圖1:無(wú)刷直流電機內的電子集成。

通過(guò)評估電流和溫度,可采取措施以適應操作規范；例如，CPU降頻、限制電機電流、在電機橋中采用自由環(huán)電流模式等。

新的HVC 4223F采用小巧的6×6mm、40點(diǎn)QFN封裝，充分滿(mǎn)足小型化要求，非常適合將電子功能集成到電機或執行器內。同時(shí),裸露的觸點(diǎn)(ePAD)保證了良好的熱連接。結溫度可達40℃到+150℃，而集成的過(guò)熱監控支持在對溫度有很高要求的環(huán)境使用此款產(chǎn)品。

帶BLDC電機驅動(dòng)器的定位應用實(shí)例

用于定位應用的機械執行器通常必須提供高扭矩(例如閥門(mén)、擋板等)。通常采用齒輪以獲得負載所需的低轉速，這就引入了相當大的摩擦損耗。在許多情況下,執行器必須要輸出一個(gè)穩定的保持轉矩，且執行器不能丟失其最后位置以避免需要校準�；�于量輕、體小的要求，電機和電子幾何扮演著(zhù)重要角色。示例描述了一款單片電機驅動(dòng)器方案，它采用HVC 4223F在無(wú)傳感器、借助LIN通信接口實(shí)現六步通勤的環(huán)境下，驅動(dòng)BLDC電機。圖2顯示的是閥門(mén)驅動(dòng)器的原理系統，它集成了基于HVC 4223F單片方案的完整電子功能。

表3:HVC 4223F所用的外圍功能概述

軟硬件交互和電路方案

運動(dòng)控制系統內，硬件和軟件間的高效協(xié)同工作，取決于可用芯片外設的特定功能分布。表3對圖2所示的無(wú)傳感器、六步通勤、包括rpm和電流控制、帶診斷和通信棧功能這樣一個(gè)系統，總結了一種可能的方法。軟件架構可以采用簡(jiǎn)單的輪詢(xún)中斷。

圖2:帶BLDC電機的示例系統。

圖3所示是該系統的一個(gè)基本電路方案。電機的外部組件數量可被減少到最少12個(gè)(參見(jiàn)圖3中的表)。在有特殊的系統ESD和/或EMC要求情況下,可能需要另外器件,如用于直流供電回路或信號通路的鐵氧體磁珠等。

圖3:原理電路方案。

結論

因為電子產(chǎn)品成本的下降，采用BLDC電機技術(shù)的小型電機驅動(dòng)方案的數量將增長(cháng)。Micronas的高度集成的單片HVC 4223F方案是這一趨勢的推手。

電機的種類(lèi)將增加、功能會(huì )提升,包括智能驅動(dòng)器之間的聯(lián)網(wǎng)。此外,必須滿(mǎn)足對量輕、體小、更高功率密度、更低成本的要求。所用的電機需要小巧、輕便并能用于分布式LIN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

因可采用單片方案開(kāi)發(fā)微小電機的完整平臺，所以可縮短設計時(shí)間。通過(guò)調整軟件，可針對不同的電機類(lèi)型和屬性。當今的有刷直流電機方案可以一對一地直接更換為無(wú)刷直流電機系統；在外面,BLDC電機看起來(lái)與傳統電機無(wú)異，但內部卻提供智能運動(dòng)控制所需的所有優(yōu)勢。

自我診斷和功能安全發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。借助電子實(shí)現的整合了智能的驅動(dòng)器可以提供該診斷功能。電機的屬性可能會(huì )與時(shí)俱進(jìn)，可以跟蹤這些影響并將其存儲在電子電路中，并在一定程度上進(jìn)行調整。

對軟件進(jìn)行調適可滿(mǎn)足大量的功能和應用需求�？蛻�(hù)可借助單一控制器有效地配置一個(gè)完整平臺。很少的分立器件和高集成度實(shí)現了高度小型化，且支持實(shí)現具有現代種類(lèi)電機優(yōu)點(diǎn)和好處的經(jīng)濟方案。硬件和軟件的高度可重用性支持快速響應客戶(hù)需求的變化。