【導(dǎo)讀】各種半導(dǎo)體集成技術(shù)為基于同步電機的分布式智能小型驅(qū)動解決方案提供了層出不窮的應(yīng)用機會。這些同步電機包括了無刷直流電機(BLDC)、永磁同步電機(PMSM)和步進電機。由于它們的技術(shù)優(yōu)勢和不斷提高的效率，這些電機正在替代許多現(xiàn)有應(yīng)用中的有刷電機。汽車就是一個很好的例子。
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。與寬范圍電機一起工作的驅(qū)動概念的需求以及對效率、系統(tǒng)設(shè)計和聯(lián)網(wǎng)選項的特殊要求，對執(zhí)行器電路有很大的影響。
無刷直流電機市場
美國有大量的無刷直流電機(BLDC)制造商。大多數(shù)公司仍然專注于有刷直流電機、步進電機等電機技術(shù)，但其中許多公司已經(jīng)將BLDC電機作為新產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)。雖然市場上有許多BLDC電機制造商，特別是微型BLDC電機的制造商，但市場上并沒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電機而且采用低成本方法的公司在市場上仍是鳳毛麟角。
BLDC電機技術(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或步進電機技術(shù)轉(zhuǎn)換為BLDC電機技術(shù)。是的，這并不能說明所有有刷直流電機或步進電機都將轉(zhuǎn)換為BLDC電機技術(shù)。但與電機本身價格相比電機控制電路價格太貴的主流觀點正在日益消退。另外，BLDC電機優(yōu)勢可以顯著增強其它系統(tǒng)屬性(參考表1)。因此，一場智能電機控制的革命大幕即將開啟。
無刷直流電機的優(yōu)勢
與其它競爭性的電機技術(shù)相比，無刷直流電機有諸多優(yōu)勢，見表1所示。
表1，無刷直流電機優(yōu)勢小結(jié)
從有刷直流電機轉(zhuǎn)換為無刷直流電機面臨的問題？
觀察包括有刷直流電機(BDC)在內(nèi)的運動控制系統(tǒng)會很明顯地發(fā)現(xiàn)，控制的復(fù)雜性要低于無刷電機(BLDC)電機。簡言之，你只需要給有刷電機加上電，它就可以開始工作了。在BLDC電機控制系統(tǒng)方面缺乏經(jīng)驗的工程師經(jīng)常害怕他們會難以轉(zhuǎn)到BLDC電機技術(shù)，即使他們知道BLDC的優(yōu)勢所在。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普及的一個因素。
然而，從有刷電機轉(zhuǎn)換到無刷電機并沒有想象中那么困難。借助Micronas公司HVC 4223F單芯片解決方案，電路可以做得相當(dāng)簡單。
下面這個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個元件。如果系統(tǒng)已經(jīng)包含有PCB，那么對物料清單(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，因為這些電機具有更高的效率。執(zhí)行器也可以更小，從而進一步減小物料成本(電機、外殼和齒輪等)。另外，在某種程度上，采用HVC4223F設(shè)計的BLDC控制系統(tǒng)在經(jīng)過編程后，可以使它從外面看就好像是有刷電機一樣——只需連接VBAT和地提供電源即可。因此，現(xiàn)有的運動控制系統(tǒng)無需改變完整的系統(tǒng)設(shè)計就能升級。而從長期來看，這種系統(tǒng)還可以進一步改進，比如增加聯(lián)網(wǎng)功能和/或診斷功能等。消費者不必從頭開始做軟件開發(fā)，因為現(xiàn)有的應(yīng)用筆記和演示軟件可以提供足夠的功能。
旨在實現(xiàn)最高系統(tǒng)集成度和靈活驅(qū)動系統(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驅(qū)動電路的系統(tǒng)達到現(xiàn)代永勵直流電機的性能。HVC 4223F是一款集成的微型計算機系統(tǒng)，含有可直接驅(qū)動PMSM/BLDC電機和雙極步進電機所必要的外設(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，驅(qū)動解決方案的集成度越來越高，因此影響到功耗(功率/熱管理)、驅(qū)動電路的靈活性和所選的驅(qū)動，以及診斷選擇。高集成度的電路要求通過特定目標(biāo)功耗管理來適應(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。
針對不同應(yīng)用和工作模式調(diào)整的電機激活
在汽車執(zhí)行器中不同驅(qū)動概念的使用要求方便地適應(yīng)電機電源電橋和橋的激活方式。HVC 4223F通過可配置的最終輸出級、高集成度和可編程的外設(shè)模塊以及功能強大的ARMCortex?-M3?內(nèi)核來精準(zhǔn)地解決這個問題。HVC 4223F中集成了6個n/n半橋(包括充電泵)。通過適當(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)電機類型。
EPWM模塊(增強型脈寬調(diào)制)支持針對不同工作模式和電機類型的無源和有源續(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(比如針對電流控制的微型步進)。在PMSM/BLDC電機中，轉(zhuǎn)子位置的反饋信號無需使用傳感器，通過比較器和集成的星點基準(zhǔn)，或者通過霍爾效應(yīng)傳感器/編碼器就能發(fā)送。另外，我們可以選擇針對步進電機的換向工作模式，比如用于實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。使步進電機適應(yīng)不同工作模式(整步/半步、波型驅(qū)動、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類型和工作模式一覽
ARM Cortex-M3 CPU可以用來快速執(zhí)行速度與電流控制算法——由針對電壓與電流測量的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和可調(diào)信號路徑支持。輸出級包含過載保護(過壓/過流)和診斷功能。用于電機啟動的集成式外設(shè)模塊(EPWM、比較器、星點基準(zhǔn)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、診斷和過壓/過流保護、溫度監(jiān)控)可以針對表中所列工作模式進行編程。
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時要求、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周期來降低功耗。為了減少電磁輻射，其中還包含了一個電磁干擾抑制模塊(ERM)。所有外設(shè)模塊都可以通過AHB/APB總線系統(tǒng)進行編程，進而滿足系統(tǒng)要求。集成的NVRAM允許存儲診斷和應(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12V板載電氣系統(tǒng)供電，并符合ISO 7337測試脈沖要求的。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)可以通過可編程高側(cè)開關(guān)進行供電。
針對分布式小型驅(qū)動系統(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LIN引腳可用，它具有自動尋址功能，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進一步微型化和提高集成度的重要途徑。
驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性受所用驅(qū)動電路的影響很大。新高壓控制器架構(gòu)包含有擴展診斷和保護功能，其SPFM超過60%(“ASIL可用”)。這對于符合ISO 26262的系統(tǒng)級分解來說很重要，即對于將安全與安保要求分配給各個獨立的系統(tǒng)單元來說也很重要，并且可以在系統(tǒng)、硬件和軟件級來進行。
由于元件數(shù)量的減少，高系統(tǒng)集成度對要求的系統(tǒng)失效率FIT(故障時間)有積極的影響。
用軟件實現(xiàn)“熱管理”就是一個有關(guān)靈活診斷的極好例子。
圖1：BLDC電機中的電路集成
通過評估電流和溫度，我們就可以采取一定的措施來適應(yīng)工作環(huán)境，比如減少CPU周期，限制電機電流，改變電機電橋中的續(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)點溫度范圍和集成的過溫監(jiān)控允許其在溫度惡劣的應(yīng)用中使用。
用BLDC電機定位執(zhí)行器的應(yīng)用例子
用于定位應(yīng)用的機械執(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)載端要用到齒輪來獲得低轉(zhuǎn)速(rpm)，但這會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)運行。由于重量減輕和空間限制，電機和電路的幾何結(jié)構(gòu)扮演著重要的角色。本例介紹了一種單芯片電機執(zhí)行器解決方案，由HVC4223F驅(qū)動BLDC電機，并通過LIN通信接口完成無傳感器的六步換向。圖2顯示了通過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
運動控制系統(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)了針對圖2所示無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簡單輪詢。
圖2：使用BLDC電機的系統(tǒng)例子
圖3給出了這種系統(tǒng)的基本電路解決方案。電機的外部元件數(shù)量可以減少到12個元件的最小值(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信號路徑中，某些附加元件比如磁珠可能就會需要。
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電機技術(shù)的小型電機驅(qū)動解決方案的數(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)展的一個催化劑。
電機的品種和功能將不斷增加，包括智能驅(qū)動器之間的聯(lián)網(wǎng)功能。另外，我們必須滿足對更輕重量、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平臺可以用單芯片解決方案開發(fā)，設(shè)計時間可以大大縮短。通過適當(dāng)?shù)匦薷能浖覀兙涂梢赃m應(yīng)不同的電機類型和屬性。今天的有刷直流電機解決方案完全可以用無刷直流電機系統(tǒng)1:1替代，而這從外部看來就像是傳統(tǒng)的電機，但內(nèi)部則可以提供實現(xiàn)智能運動控制所需的所有優(yōu)勢。
自診斷和功能安全的作用越來越大。通過電子技術(shù)“集成了智能”的驅(qū)動器可以提供這種診斷功能。舉例來說，一個電機的屬性可能在整個生命周期內(nèi)隨時改變。這些效應(yīng)可以被電路跟蹤和存儲，并可進行一定程度的調(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完整的執(zhí)行器平臺。少量的分立元器件和高集成度提供了高度的微型化，并能實現(xiàn)具有現(xiàn)代電機優(yōu)勢和好處的經(jīng)濟性解決方案。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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