典型的汽車元件必須滿足低係統成本、小型化、輕(qing)型(xing)化(hua)和(he)可(ke)靠(kao)的(de)要(yao)求(qiu)，並(bing)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)。減(jian)少(shao)尾(wei)氣(qi)排(pai)放(fang)和(he)降(jiang)低(di)燃(ran)料(liao)消(xiao)耗(hao)也(ye)很(hen)重(zhong)要(yao)。與(yu)寬(kuan)範(fan)圍(wei)電(dian)機(ji)一(yi)起(qi)工(gong)作(zuo)的(de)驅(qu)動(dong)概(gai)念(nian)的(de)需(xu)求(qiu)以(yi)及(ji)對(dui)效(xiao)率(lv)、係統設計和聯網選項的特殊要求，對執行器電路有很大的影響。

 

 

美國有大量的無刷直流電機(BLDC)製造商。大多數公司仍然專注於有刷直流電機

、步進電機等電機技術，但其中許多公司已經將BLDC電機作為新產品開發的基礎。雖然市場上有許多BLDC電機製造商，特別是微型BLDC電機的製造商
，但市場上並沒有很多一體化的控製電子解決方案。能夠製造內置智能電路的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

、采暖通風與空調(HVAC)、彎道照明、頭燈調節等等，都在從有刷直流電機或步進電機技術轉換為BLDC電機技術。是的，這並不能說明所有有刷直流電機或步進電機都將轉換為BLDC電機技術。但與電機本身價格相比電機控製電路價格太貴的主流觀點正在日益消退。另外，BLDC電機優勢可以顯著增強其它係統屬性(參考表1)。因此，一場智能電機控製的革命大幕即將開啟。

 

 

與其它競爭性的電機技術相比，無刷直流電機有諸多優勢
，見表1所示。

 

表1
，無刷直流電機優勢小結

 

從有刷直流電機轉換為無刷直流電機麵臨的問題
？

 

觀察包括有刷直流電機(BDC)在內的運動控製係統會很明顯地發現，控製的複雜性要低於無刷電機(BLDC)電機。簡言之，你隻需要給有刷電機加上電
，它就可以開始工作了。在BLDC電機控製係統方麵缺乏經驗的工程師經常害怕他們會難以轉到BLDC電機技術，即使他們知道BLDC的優勢所在。這種係統的複雜電路和編程被認為是攔路虎。另外，由於電子換向而導致的較高係統成本也經常被認為是影響BLDC普及的一個因素。

 

然而
，從有刷電機轉換到無刷電機並沒有想象中那麼困難。借助Micronas公司HVC 4223F單芯片解決方案
，電路可以做得相當簡單。

 

下麵這個例子概括介紹了一種解決方案，這種方案隻需包括HVC4223F在內的13個元件。如果係統已經包含有PCB，那麼對物料清單(BOM)的de影ying響xiang是shi不bu大da的de。在zai許xu多duo情qing況kuang下xia
，我wo們men可ke以yi使shi用yong更geng小xiao的de電dian機ji，因yin為wei這zhe些xie電dian機ji具ju有you更geng高gao的de效xiao率lv。執zhi行xing器qi也ye可ke以yi更geng小xiao
，從cong而er進jin一yi步bu減jian小xiao物wu料liao成cheng本ben(電機、外殼和齒輪等)。另外，在某種程度上，采用HVC4223F設計的BLDC控製係統在經過編程後，可以使它從外麵看就好像是有刷電機一樣——隻需連接VBAT和he地di提ti供gong電dian源yuan即ji可ke。因yin此ci，現xian有you的de運yun動dong控kong製zhi係xi統tong無wu需xu改gai變bian完wan整zheng的de係xi統tong設she計ji就jiu能neng升sheng級ji。而er從cong長chang期qi來lai看kan，這zhe種zhong係xi統tong還hai可ke以yi進jin一yi步bu改gai進jin
，比bi如ru增zeng加jia聯lian網wang功gong能neng和he/或診斷功能等。消費者不必從頭開始做軟件開發
，因為現有的應用筆記和演示軟件可以提供足夠的功能。

 

 

新的Micronas高壓控製器(HVC)允許使用采用高集成度電機驅動電路的係統達到現代永勵直流電機的性能。HVC 4223F是一款集成的微型計算機係統，含有可直接驅動PMSM/BLDC電機和雙極步進電機所必要的外設模塊。這些外設模塊的編程功能和用戶定義的軟件允許最佳匹配不同驅動係統的性能和屬性。

 

由於使用了低功耗/重量比(W/kg)的PMSM/BLDC電機
，驅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)
、驅動電路的靈活性和所選的驅動

，以及診斷選擇。高集成度的電路要求通過特定目標功耗管理來適應熱工作條件。新的HVC係列提供的許多功能正好支持這種適應性。

 

 

在汽車執行器中不同驅動概念的使用要求方便地適應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模塊以及功能強大的ARMCortex?-M3?內核來精準地解決這個問題。HVC 4223F中集成了6個n/n半橋(包括充電泵)。通過適當的輸出引腳電路布線和軟件配置，這些半橋可以很好地適應電機類型。

 

EPWM模塊(增強型脈寬調製)支持針對不同工作模式和電機類型的無源和有源續流電流圖案(“異步/同步整流”)(見表2)。集成的電流測量功能和數模轉換器允許編程標稱電流值(比如針對電流控製的微型步進)。在PMSM/BLDC電機中，轉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，或者通過霍爾效應傳感器/編碼器就能發送。另外，我們可以選擇針對步進電機的換向工作模式，比如用於實現更高的轉速。使步進電機適應不同工作模式(整步/半步、波型驅動、微步、換向操作)也是可行的，或者可以編程。

 

表2，采用最新高壓控製器的電機類型和工作模式一覽

 

ARM Cortex-M3 CPU可以用來快速執行速度與電流控製算法——由針對電壓與電流測量的高速模數轉換器和可調信號路徑支持。輸出級包含過載保護(過壓/過流)和診斷功能。用於電機啟動的集成式外設模塊(EPWM、比較器、星點基準、數模轉換器、診斷和過壓/過流保護

、溫度監控)可以針對表中所列工作模式進行編程。

 

 

借助軟件手段
，CPU和閃存可以實現特別高的係統靈活性，比如滿足旋轉速度和電流控製的實時要求、分布式執行器係統(如LIN集群)中的通信以及診斷功能。主振蕩器已經集成在裏麵。我們可以在不影響外設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幹擾抑製模塊(ERM)。所有外設模塊都可以通過AHB/APB總線係統進行編程

，進而滿足係統要求。集成的NVRAM允許存儲診斷和應用數據。

 

在電源方麵，高壓控製器係列產品是直接通過12V板載電氣係統供電，並符合ISO 7337測試脈衝要求的。啟停係統由專門的“保留模式”提供支持。與傳統的線性穩壓器相比
，集成的開關穩壓器(降壓轉換器)可以最大限度減小功率損失。節能模式可以為比如K1.30應用提供低功耗。外部負載(如霍爾傳感器)可以通過可編程高側開關進行供電。

 

針對分布式小型驅動係統(如HVAC係統)中的通信，高壓控製器中集成了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閥門應用中。這裏介紹的係統集成和網絡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。

 

驅動係統的可靠性受所用驅動電路的影響很大。新高壓控製器架構包含有擴展診斷和保護功能，其SPFM超過60%(“ASIL可用”)。這對於符合ISO 26262的係統級分解來說很重要
，即對於將安全與安保要求分配給各個獨立的係統單元來說也很重要，並且可以在係統、硬件和軟件級來進行。

 

由於元件數量的減少
，高係統集成度對要求的係統失效率FIT(故障時間)有積極的影響。

 

用軟件實現“熱管理”就是一個有關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工作環境，比如減少CPU周期，限製電機電流
，改變電機電橋中的續流電流圖案等等。

 

新的HVC 4223F采用6mm×6mm小型40引腳QFN封裝
，非常適合微型化，並將電路集成到電機或執行器中。另外
，“外露的焊盤”(ePAD)可以保證良好的導熱連接。-40℃至+150℃的結點溫度範圍和集成的過溫監控允許其在溫度惡劣的應用中使用。

 

 

用於定位應用的機械執行器通常需要提供高扭矩(比如在閥門
、襟翼等應用中)。通常負載端要用到齒輪來獲得低轉速(rpm)，但dan這zhe會hui由you於yu摩mo擦ca而er引yin入ru相xiang當dang大da的de損sun耗hao。在zai許xu多duo情qing況kuang下xia，執zhi行xing器qi必bi須xu施shi加jia一yi個ge穩wen定ding的de保bao持chi扭niu矩ju，並bing且qie不bu應ying丟diu失shi其qi最zui後hou的de位wei置zhi，以yi避bi免mian校xiao準zhun運yun行xing。由you於yu重zhong量liang減jian輕qing和he空kong間jian限xian製zhi
，電dian機ji和he電dian路lu的de幾ji何he結jie構gou扮ban演yan著zhe重zhong要yao的de角jiao色se。本ben例li介jie紹shao了le一yi種zhong單dan芯xin片pian電dian機ji執zhi行xing器qi解jie決jue方fang案an，由youHVC4223F驅動BLDC電機，並通過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行器的原理係統。

 

表3
，HVC 4223F所用外設功能一覽表

 

 

運動控製係統中軟硬件的高效交互取決於可用芯片外設的特定功能分布情況。表3總結了針對圖2所示無傳感器六步換向係統的一種可行方法，包括轉速和電流控製
、診斷功能和通信棧。軟件架構可以是比如帶中斷的一個簡單輪詢。

 

圖2：使用BLDC電機的係統例子

 

圖3給出了這種係統的基本電路解決方案。電機的外部元件數量可以減少到12個元件的最小值(參考圖3中的表格)。如若有特殊的係統靜電放電和/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

 

 

由於電路成本在不斷下降，使用BLDC電機技術的小型電機驅動解決方案的數量將不斷增加。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發展的一個催化劑。

 

電機的品種和功能將不斷增加，包括智能驅動器之間的聯網功能。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，並能用於分布式LIN總線網絡。

 

由you於yu完wan整zheng的de微wei型xing電dian機ji平ping台tai可ke以yi用yong單dan芯xin片pian解jie決jue方fang案an開kai發fa，設she計ji時shi間jian可ke以yi大da大da縮suo短duan。通tong過guo適shi當dang地di修xiu改gai軟ruan件jian

，我wo們men就jiu可ke以yi適shi應ying不bu同tong的de電dian機ji類lei型xing和he屬shu性xing。今jin天tian的de有you刷shua直zhi流liu電dian機ji解jie決jue方fang案an完wan全quan可ke以yi用yong無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji係xi統tong1:1替代，而這從外部看來就像是傳統的電機
，但內部則可以提供實現智能運動控製所需的所有優勢。

 

自診斷和功能安全的作用越來越大。通過電子技術“集成了智能”的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)這(zhe)種(zhong)診(zhen)斷(duan)功(gong)能(neng)。舉(ju)例(li)來(lai)說(shuo)

，一(yi)個(ge)電(dian)機(ji)的(de)屬(shu)性(xing)可(ke)能(neng)在(zai)整(zheng)個(ge)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)內(nei)隨(sui)時(shi)改(gai)變(bian)。這(zhe)些(xie)效(xiao)應(ying)可(ke)以(yi)被(bei)電(dian)路(lu)跟(gen)蹤(zong)和(he)存(cun)儲(chu)
，並(bing)可(ke)進(jin)行(xing)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)調(tiao)整(zheng)。

 

修xiu改gai軟ruan件jian可ke以yi滿man足zu大da量liang的de功gong能neng和he應ying用yong要yao求qiu。客ke戶hu隻zhi需xu一yi種zhong控kong製zhi器qi就jiu能neng高gao效xiao地di配pei備bei一yi個ge完wan整zheng的de執zhi行xing器qi平ping台tai。少shao量liang的de分fen立li元yuan器qi件jian和he高gao集ji成cheng度du提ti供gong了le高gao度du的de微wei型xing化hua
，並bing能neng實shi現xian具ju有you現xian代dai電dian機ji優you勢shi和he好hao處chu的de經jing濟ji性xing解jie決jue方fang案an。高gao度du的de軟ruan硬ying件jian複fu用yong性xing則ze允yun許xu快kuai速su響xiang應ying不bu斷duan變bian化hua的de用yong戶hu要yao求qiu。

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