账号:
密码:
智动化 / 文章 /

车辆中的小型电气驱动器:在发展自动驾驶过程中提升便利性
[作者 Bernd Wondratschek]   2021年03月15日 星期一 浏览人次: [2524]

在未来,自动驾驶将会显着提高驾驶的便利性,到那时候,许多小型电气驱动器将使车辆的控制更加轻松与便捷。然而,它们的结构如何?需要满足哪些要求?以及制造商可以提供哪些应用程式来为消费者带来更加愉悦的驾驶体验呢?


如今,一部中型车辆中有超过75个小型电气驱动器,而且数量还在不断增加中。在调节後视镜或关闭行李箱门的电动手柄功能上使用了功率高达100 W的马达,而根据使用者的状况,还可能实现其他的自动调节机构,不仅包括座椅,还包括内部镜子和头枕,甚至包括用手势控制车厢门,以及可能用来打开和关闭杂物箱。


由於小型驱动器使用车载12 V电压,因此可以直接通过端子30(电池)或端子15(点火後)供电。这就是12 V电气系统不会在未来的车辆中消失的其中一个原因。若把这个功率级别转换为越来越流行的48 V技术,目前在降低生产和开发成本方面尚无任何明显的好处。然而,48 V电气系统拥有较低导线横截面和标称负载电流(仅是12 V系统的四分之一),这些都是长远需要考虑的因素。


在高达100 W的驱动器中,使用了有刷直流(BDC)和无刷直流马达(BLDC)以及步进马达。後者理想用於需要绝对精度控制或需要进行非常精细的步进调整之应用,例如,用於调整後视镜和移动仪表板指标。BDC马达可用於使用寿命长且效率高的场合,以降低成本。BLDC马达是最稳健的型款,但它们更昂贵,并且有时控制起来较复杂。


控制器的结构和功能

图一为带有直流马达的小型驱动器的简化电路设计,其主要零组件包括:微控制器、系统基础晶片(SBC)、MOSFET驱动器(闸极驱动器)和几个MOSFET。SBC用於建立起与车辆汇流排的通讯介面,以确保为关键元件提供合适的电源,并能够执行功能安全和可靠性方面的任务(例如看门狗功能)。每个MOSFET布置为半桥,与在它们之间连接的马达一起构成全桥(也称为电桥)。添加另一个第三半桥可以建立一个B6配置,允许控制两台DC马达(如图一所示)或一个三相BLDC马达。



图一 : 带有直流马达的小型驱动器的简化结构
图一 : 带有直流马达的小型驱动器的简化结构

微控制器通过I/O引脚接收输入控制器讯号,并对其进行处理以控制闸极驱动器。同时,它可以在发生错误时评测驱动器讯号。MOSFET由驱动器使用PWM讯号来触发。


这种全桥/ B6配置可以使得马达顺时针或逆时针旋转。


控制BDC马达

BDC马达基本上由转子、带碳刷的换向器和定子(或永久磁铁)组成。碳刷将电流传导到转子,产生的摩擦力导致电刷磨损。旋转运动是由於电流流过转子而形成转子磁场所产生的。转子的磁场与定子的磁场对齐。一旦到达定子磁场的反极,安装在转子中的换向器就会改变转子的磁场,并产生一个反向180。的磁场。这导致两个相同的磁极互相排斥,并且转子磁极被相对的定子磁极吸引。因此,换向是纯机械的过程,在启动过程中无需确定转子的位置。


BLDC马达

BLDC马达的结构类似於交流同步马达,并具有纯电子式的换向机构,转子中带有永久磁铁,定子中带有可控绕组。绕组通常以彼此成120。的角度(或其中的可分割分数)布置,并根据旋转方向依次受激。转子跟随该旋转磁场动作。


为避免因高启动电流引起的过大负载,应在启动前确定转子位置,以确保在启动期间启动正确的绕组。


使用基於感测器的位置检测,三个霍尔效应感测器可以精确检测转子永久磁铁的磁场。这种方法导致较高的元件成本,并且需要更多的空间和绕线,但是构建起来很简单。儒卓力提供了Diodes、Melexis和TDK-Micronas三家适用的霍尔效应感测器产品,它们皆通过AEC-Q100汽车?认证。


磁场定向控制(FOC)的软体演算法实现和马达尺寸转换的管理非常复杂,但这却是一种受欢迎的无感测器方法。为了帮助开发人员设计FOC实施方案,意法半导体(STMicroelectronics)提供了FOC软体工具,即SPC5-MCTK-LIB程式库以及与其SPC5微控制器系列相关的评测套件。该程式库可与SPC560P以及SPC574K和SPC58NN型号一起使用,支援多种性能等级的控制器。


使用TLE9879三相嵌入式马达驱动器(e-power IC),加上评测套件和FOC示范演算法,英飞凌为通过FOC进行无感测器BLDC控制提供了答案。这款IC的高整合度意味着仅需要B6桥和马达。


步进马达

步进马达只有在定子上有绕组。它们通常被构造为复合式步进马达,转子结构的主要特徵是永久磁铁和软铁芯的结合。绕组的选择性触发允许将转子调整一个特定角度。


每步中的角度变化取决於马达的相数和转子中的极对数。角度变化通常为两个相位的1.8。或0.9。(即定子中有两个绕组,转子芯中有相应数量的磁极)。步进马达的控制相对简单,它能够实现可重复的运动并具有很高的精度。而且,它不需要任何位置回??。


小型驱动器的要求

根据应用,小型电气驱动器需要满足各种要求,最重要的是:


· 高效率


· 体积小,重量轻


· 低噪音和静音运行


· 抗压性(水、灰尘、振动等)


· 不同的运行模式(连续运行、定期运行和短暂运行)


· 高可靠性,尤其是安全关键型驱动器


· 成本低


· 易於实施


半导体供应商正在通过为此目的而专门增强的IC元件来满足这些需求。例如,Toshiba的TB9083FTG是专门为功能安全应用而设计的故障安全预驱动器。制程技术的最隹化实现了更小的封装和更少的材料使用,例如Diodes的MOSFET (PowerDI3333-8)在40 V下的封装尺寸约为3mm×3mm。降低驱动器中的偏置电流,MOSFET中更低的导通电阻(RDSon)提高了效率,从而降低功率损耗和热量输出。具有顶部冷却和增强散热功能的新封装技术有助於简化热管理,使得IC更加坚固。为了最大程度地减少杂讯排放和EMI问题,所有供应商都根据驱动器来实施PWN和压摆率控制等功能。


越来越多的系统相关功能整合到半导体模组中,以方便在电路中实施。这包括电流测量和整合的电流感测放大器(CSA),以及保护和诊断功能,例如通过SPI介面导入资料,以便更轻松地进行状态检测和寿命终止估算,例如意法半导体的L9907元件。另外像是自动重启和闭锁关断等功能,还能进行测试并在发生错误後关断重启。供应商还提供了诸如英飞凌的工具箱之类的模拟工具,以协助开发人员进行设计。


针对不同要求的不同整合级别

根据要求,可以选择具有不同整合度的晶片产品(请叁见图二)。



图二 : 根据整合度水准,这些IC元件可以满足不同的要求。
图二 : 根据整合度水准,这些IC元件可以满足不同的要求。

在分立设计中,每个电路元件都位於PCB上,这通常是最便宜的选择,但它需要足够的空间并且会导致更高的环境温度。为了尽可能降低空间需求,Diodes提供了多种采用单一封装的双MOSFET(N型)和互补式MOSFET(N型和P型)元件。在分立驱动器方面,意法半导体的L9907和英飞凌的TLE9180是一流的产品,它们可以与各种电气系统电压共用,因此也适用於卡车领域的小型控制应用。


对於中等整合度应用,一些元件已经结合到模组中。其中可能包含MOSFET和相关的驱动器,例如Rohm的BD63035EFV-M或Bosch AE的CJ260。另一方面,英飞凌在其TLE956x模组中将系统基础晶片(SBC)与驱动程式结合在一起。中等整合度产品在空间和成本限制之间提供了很好的折衷方案,它需要的开发工作最少,并且目前是实现电路保护的最隹方法。但是,如果空间非常有限,并且也很难实现PCB冷却,则建议向整合再迈进一步。


高整合度方案将微控制器与MOSFET驱动器以及SBC功能整合在单一封装中。但是这种方案通常非常不灵活,因为进行调整的唯一方法是触发MOSFET。英飞凌提供这种高度整合的元件,名称为E-Power IC(TLE98xy)。英飞凌针对具有半桥、全桥或B6桥接要求的应用提供了多种IC型款,以弥补灵活性的不足。


TDK-Micronas的HVC4223嵌入式马达控制器代表了最高的整合度,它在单个IC中将所有四个组件(微控制器、SBC、闸极驱动器和MOSFET)结合在一起,但这也意味着它需要完全满足应用的要求。


中、高整合度模组的优势是整合了诊断功能,通常包括:


·OC / UC -过电流/欠电流保护


·OT -过热保护


·OL -空载保护


·SC/SCG -短路/对地短路保护


·LD -负载突降保护


·交叉传导保护


·反极性保护(通常经由外部MOSFET)


现在厂商还提供具有保护和诊断功能的分立MOSFET驱动器,例如过电流和过热保护,然而通常需要附加的分立元件,例如PTC热敏电阻(PTC:正温度系数)。


保护和诊断功能目前已成为电子产品开发人员和OEM厂商的重要考虑因素,因为它们可以协助轻松监控电路。因此,它们也是发展完全自主的自我监控车辆的重要一步。


(本文作者Bernd Wondratschek为儒卓力(Rutronik)公司ABU现场应用工程师)


**刊头图(source:Valiente Mott)


相关文章
碳化矽迈入新时代 ST 25年研发突破技术挑战
感测融合开启自驾行车新视野
如何开发以NFC标签启动的App Clip
污染管理设计 确保汽车感测效能稳定可靠
运用软硬体整合成效保护网路设备安全
comments powered by Disqus
  相关新闻
» 意法半导体公布2021年第二季财报 年成长43.4%
» 二代接班女力当道 卓秀瑜接任大银微系统董事长
» 浩亭跻身德国最具创新力公司 获FOCUS-MONEY和DEUTSCHLAND TEST评选肯定
» 意法半导体和Feig电子合作 开发非接触式产品个人化方案
» ST消费和车规Qi认证充电器安全方案 推动无线充电市场发展
  相关产品
» 意法半导体可配置车规低压降稳压器 提供功能性安全诊断功能
» 意法半导体为新路车专案 提供首批Stellar先进车用微控制器
» 意法半导体推出G3-PLC Hybrid电力线和无线融合通讯认证晶片组
» igus FastConnect电缆可减少46%组装时间
» 以滑块和横杆双重锁定 E4Q拖链新板分隔减少装配时间