【導(dǎo)讀】作為人與車輛重要的溝通及交互的橋梁，中控屏的尺寸不僅越做越大，而且不少廠商選擇旋轉(zhuǎn)大屏，不僅可以實現(xiàn)多場景便捷交互，而且可以使車載娛樂系統(tǒng)更加智能。其中的典型代表有比亞迪，全新一代唐&秦Pro中控屏?xí)鶕?jù)場景自動旋轉(zhuǎn)到橫/豎屏模式。而實現(xiàn)車載觸摸屏可旋轉(zhuǎn)，電機的作用不可或缺。要想實現(xiàn)電機的精準(zhǔn)運動，電機驅(qū)動芯片的選擇至關(guān)重要。
1. 前言
當(dāng)車輛與智能相融合，不僅是自動駕駛，智能座艙也成為了當(dāng)下的焦點。在目前的智能座艙中，屏幕毫無疑問地充當(dāng)著主角，其大小不一，種類繁多的屏幕出現(xiàn)在了車內(nèi)的各個角落之中。作為人與車輛重要的溝通及交互的橋梁，中控屏的尺寸不僅越做越大，而且不少廠商選擇旋轉(zhuǎn)大屏，不僅可以實現(xiàn)多場景便捷交互，而且可以使車載娛樂系統(tǒng)更加智能。其中的典型代表有比亞迪，全新一代唐&秦Pro中控屏?xí)鶕?jù)場景自動旋轉(zhuǎn)到橫/豎屏模式。而實現(xiàn)車載觸摸屏可旋轉(zhuǎn)，電機的作用不可或缺。要想實現(xiàn)電機的精準(zhǔn)運動，電機驅(qū)動芯片的選擇至關(guān)重要。
圖1. 旋轉(zhuǎn)中控屏
圖2. 可翻轉(zhuǎn)吸頂屏
旋轉(zhuǎn)屏大多都采用直流電機。因為與交流電機相比，直流電機的控制系統(tǒng)更容易實現(xiàn)。因此，在需要控制速度、轉(zhuǎn)矩或位置時，通常都采用直流電機。常用的直流電機有兩種：有刷電機和無刷電機。顧名思義，有刷直流電機帶有電刷，電刷可以使電機換向并旋轉(zhuǎn)；而無刷電機則用電子控制取代了機械換向功能。旋轉(zhuǎn)中控屏是既可以使用有刷直流電機，也可以使用無刷直流電機。兩種類型的電機基于相同的線圈和永磁體吸引與排斥原理，二者都具有各自的優(yōu)缺點，可以根據(jù)應(yīng)用需求進行具體選擇。表1總結(jié)了兩種電機類型的主要優(yōu)缺點。
表1. 兩種電機類型的主要優(yōu)缺點
無刷電機現(xiàn)在越來越普及，特別是在汽車電機等大批量應(yīng)用中。隨著無刷電機及其相關(guān)電子設(shè)備（如微控制器）的成本不斷降低，無刷電機逐漸滲透傳統(tǒng)有刷電機占據(jù)主導(dǎo)的應(yīng)用。在高端車型中絕大多數(shù)電機已經(jīng)換成了無刷電機，因為它們產(chǎn)生的噪音更小。
2. 無刷直流電機
選擇 BLDC 驅(qū)動器時，第一步是確定電機的功率等級，中低功率應(yīng)用適合用集成FET驅(qū)動器，大功率電機驅(qū)動系統(tǒng)適合用柵極驅(qū)動器。功率一般可以由電壓與電流的乘積決定。在電池供電系統(tǒng)和線路供電系統(tǒng)中，電源電壓都可能會發(fā)生變化，因此電機驅(qū)動器應(yīng)至少支持電池的最大電壓，并提供額外的裕量，防止系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓反饋或瞬態(tài)。對于穩(wěn)壓良好的電源和低功耗電機，TI建議使用額定電壓高達最大電壓1.2倍的電機驅(qū)動器，而對于大功率電機和電池系統(tǒng)，則建議使用1.5倍到2倍的電機驅(qū)動器。集成式FET架構(gòu)的電機功率可通過方程式1計算得出，其中VM是電機電壓，IRMS是電機的標(biāo)稱電流。
經(jīng)常有客戶問到電機支持的峰值電流是多少，需要說明的是，峰值電流是電機中可能由開關(guān)、浪涌或寄生效應(yīng)引起的最大短時電流。如今，許多電機驅(qū)動器都具有過流保護等內(nèi)置保護功能。峰值電流是在過流保護功能啟動之前可以驅(qū)動的最大電流。TI的集成式FET驅(qū)動器可以驅(qū)動高達數(shù)十安培的峰值電流。對于電機驅(qū)動功率的選擇，表 2 比較了柵極驅(qū)動器和集成式 FET 驅(qū)動器架構(gòu)的規(guī)格。
表 2. 電機驅(qū)動器架構(gòu)
由于旋轉(zhuǎn)屏或者可翻轉(zhuǎn)吸頂屏應(yīng)用在車內(nèi)，對于噪聲有一定要求，否則可能會影響乘客的乘車體驗。電機噪聲的主要影響因素是電機的控制方式。無刷直流電機通常有三種控制方式：梯形波控制、正弦波控制和磁場定向控制（FOC）。
1. 梯形波
梯形換向是旋轉(zhuǎn)三相無刷直流電機的最基本方法。這是通過每 60 度電角以 6 步模式為繞組通電來實現(xiàn)的，這樣一來，一個相位為電機提供拉電流，另一個相位為電機提供灌電流，最后一個相位保持未連接（高阻態(tài)）。這會為每個相位產(chǎn)生 120° 梯形電流波形（圖3）。梯形波可以通過有傳感器或無傳感器的方式來確定電機的位置并有效地對電機進行換向。它是一種低成本、易于實施的解決方案，可產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩和速度，并將 MOSFET 開關(guān)損耗降至最低。然而，由于電流驅(qū)動不理想，它的分辨率很低，并且會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩紋波和可聽噪聲。
圖3. 梯形控制 (120°)
2. 正弦波
正弦換向是另一種換向方法，三相同時通電，并且三相電流在 180 度電角內(nèi)呈平滑的正弦波變化（圖4）。定子的正弦磁通會吸引轉(zhuǎn)子，從而使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。由于無刷直流電機的反電動勢 (BEMF)呈正弦變化，若電機電流也呈正選波變化則產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是恒定的。這意味著電機噪音小，功效高。
圖4. 正弦控制 (180°)
3. 磁場定向控制
FOC 是 Field-Oriented Control 的縮寫，即磁場定向控制，它是一種高效換向技術(shù)，用于精確高效地控制電機的速度和轉(zhuǎn)矩。顧名思義，F(xiàn)OC技術(shù)會使定子磁場與轉(zhuǎn)子磁通垂直，以便實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩。FOC 的實現(xiàn)可能非常復(fù)雜，因為它需要復(fù)雜計算處理能力來處理數(shù)學(xué)變換和計算，例如 Clarke Park 變換、反Clarke 變換和反Park變換。如果通過相位定子電流和電壓以無傳感器的方式估算位置和速度，則微控制器必須足夠快，以便在電機旋轉(zhuǎn)時估算角度和速度。這可能需要使用實時數(shù)字信號處理器 (DSP) 來對這些數(shù)學(xué)計算進行流水線處理或?qū)嵤┐笮筒檎冶聿⑼瑫r計算其余變換。對于需要高精度的FOC的應(yīng)用需要高精度編碼器。根據(jù)編碼器的分辨率，在實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化的同時實現(xiàn)精確的位置控制。
圖5. 磁場定向控制狀態(tài)矢量圖
表 3. 不同控制方法的比較
由旋轉(zhuǎn)屏和可翻轉(zhuǎn)吸頂屏的市場要求：電機應(yīng)移動到特定位置、能夠保持該位置并來回移動，噪音盡可能的小（可能會有客戶要求在距離電機50cm處的噪音不超過30dB），電機功率一般不大于70W。并根據(jù)上述分析可得出，選擇集成FET驅(qū)動器（有利于減少體積并減少外圍電路設(shè)計），并支持磁場定向控制以最大限度的降低噪音，無位置傳感器方案和帶傳感器方案都可行（如今的無位置傳感器方案已經(jīng)應(yīng)用廣泛并較為成熟）。TI提供多種電機控制方案供客戶選擇，以下重點介紹兩種方案。
方案一：MCU+Motor Driver-- MSPM0G3507+DRV8316-Q1（具有旋轉(zhuǎn)屏和吸頂屏的成功案例）
圖6. 方案一MSPM0G3507+DRV8316-Q1
現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能不斷提高、因此對實時控制的要求也相應(yīng)提高。對于旋轉(zhuǎn)屏應(yīng)用，要求電機實現(xiàn)高精度的位置控制，對精度有一定要求。TI 的MOG3507微控制器或C2000 MCU可提高模擬集成度、從而在不到1 μ s 的時間內(nèi)執(zhí)行電流環(huán)路、即快速電流環(huán)路。通過在現(xiàn)代控制拓撲中利用快速電流環(huán)路、設(shè)計人員能夠以更低的成本開發(fā)尺寸更小、性能更高的系統(tǒng)。
DRV8316-Q1可驅(qū)動12V 且功率高達40W無刷直流電機的客戶提供了一種單芯片功率級解決方案 。DRV8316-Q1 集成了三個1/2-H 電橋，具有40V的絕對最大電壓和 95mΩ（高側(cè)加低側(cè)）的超低RDS(ON)，可提供大功率驅(qū)動能力。通過集成電流檢測功能完成檢測，無需外部電流檢測電阻器。可調(diào)降壓穩(wěn)壓器和 LDO 的電源管理性能為芯片生成3.3V/5V電壓軌，可用于為外部電路供電。DRV8316-Q1 實現(xiàn)了 6x 或 3x PWM 控制方案，可用于使用外部微控制器實施有傳感器或無傳感器磁場定向控制 (FOC)、正弦控制或梯形控制。DRV8316-Q1 能夠驅(qū)動高達 200kHz 的 PWM 頻率。該控制方案可通過硬件引腳或寄存器設(shè)置進行高度配置，可實現(xiàn)電機電流限制和故障響應(yīng)。
MSPM0G3507 是具有 CAN-FD 接口的混合信號微控制器，具有較好的價格優(yōu)勢。具有糾錯碼 (ECC) 且高達 128KB 的閃存，可用于故障診斷的大容量閃存。具有硬件奇偶校驗且高達 32KB 的 SRAM。低功耗：整個系統(tǒng)的電流消耗應(yīng)小于100μA。具有17 個外部通道的 12 位 4Msps 同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，一個12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，3個高速比較器 (COMP)，2個零漂移、零交叉斬波運算放大器 (OPA) ，1個通用放大器 (GPAMP)，一個控制器局域網(wǎng) (CAN) 接口支持 CAN 2.0 A 或 B 以及 CAN-FD, 四個 UART 接口，兩個 SPI，一個 SPI 支持高達 32Mbit/s，兩個 I2C 接口，60個GPIO，精度高達 ±1.2% 的內(nèi)部 4MHz 至 32MHz 振蕩器 (SYSOSC)，一個高達 80MHz 的鎖相環(huán) (PLL)。
DRV8316-Q1的特點及優(yōu)勢：
1. 電流檢測放大器
電流檢測反饋在電機系統(tǒng)中非常重要，用于實現(xiàn)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制或檢測電流限制。TI 的 BLDC 電機驅(qū)動器DRV8316-Q1可以提供3 個電流檢測放大器 (CSA) 來檢測電機相電流，并作為微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬電壓反饋。DRV8316-Q1集成式低側(cè)電流檢測架構(gòu)無需外部分流電阻器；其通過電流鏡像技術(shù)檢測低側(cè) MOSFET 的電機電流，并將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓。這種形式的電流檢測主要用于集成式MOSFET BLDC 電機驅(qū)動器。
2. 接口
在驅(qū)動 BLDC 電機旋轉(zhuǎn)之前，必須對許多驅(qū)動器設(shè)置進行適當(dāng)配置和調(diào)優(yōu)，以便電機系統(tǒng)能夠穩(wěn)健高效地工作。 例如，其中一些設(shè)置可能包括過流保護閾值、柵極驅(qū)動電流設(shè)置或 PWM 輸入模式。TI BLDC 電機驅(qū)動器提供多 種接口來簡化配置設(shè)置、診斷電機故障，甚至是控制電機本身。DRV8316-Q1支持串行外設(shè)接口 (SPI)、硬件 (H/W) 接口進行通信。
3. 功率集成
為了提供外部電源軌來為系統(tǒng)中的其他器件或電路供電（例如 MCU 和 CSA 基準(zhǔn)電壓），許多 TI BLDC 電機驅(qū)動器都提供了集成式降壓穩(wěn)壓器和線性壓降穩(wěn)壓器 (LDO)。DRV8316-Q1內(nèi)置 3.3V (5%)、30mA LDO 穩(wěn)壓器、內(nèi)置 3.3V/5V、200mA 降壓穩(wěn)壓器。
4. 100% 占空比支持
外部功率級中的高側(cè) N 型 MOSFET 需要比電機電壓高大約 10V的電壓，才能完全增強MOSFET。在某些應(yīng)用中，此 FET 需要在整個 PWM 周期內(nèi)（100% 占空比支持）導(dǎo)通，這在提供穩(wěn)壓柵極電壓和柵極電流的設(shè)計中帶來了挑戰(zhàn)。TI 提供了兩種集成選項來支持高側(cè) MOSFET 增強所需的 100% 占空比：自舉或電荷泵架構(gòu)。
自舉架構(gòu)使用外部自舉電容器來通過外部提供或內(nèi)部生成的柵極驅(qū)動電壓 (GVDD) 提供高側(cè) MOSFET 增強。為了刷新自舉電容器，必須斷開高側(cè) FET，并且必須在最短時間內(nèi)導(dǎo)通低側(cè) FET。為了支持 100% 占空比，器件中集成了涓流電荷泵，以便增強高側(cè)MOSFET。自舉架構(gòu)成本低、集成度小，且效率高。
電荷泵架構(gòu)集成了倍增或三倍電荷泵控制器，用于調(diào)節(jié)來自電機驅(qū)動器電源電壓的高側(cè)柵極驅(qū)動電壓。這樣就無需使用外部自舉電容器，并且只需兩個電容器即可實現(xiàn)電荷泵運行。倍增或三倍電荷泵可滿足更低的最低電源電壓要求，從而生成高側(cè) MOSFET 柵極驅(qū)動電壓。
圖 7. BLDC 電機驅(qū)動器中的自舉和涓流電荷泵架構(gòu)（左）和電荷泵架構(gòu)（右）
5. 既可支持無傳感器磁場定向控制(FOC)也可支持含傳感器FOC
可能存在客戶擔(dān)心無位置傳感器方案位置不準(zhǔn)確，客戶也可有選擇的采用含位置傳感器的FOC方案。既可支持無傳感器磁場定向控制(FOC)也可支持含傳感器FOC 為客戶提供了多種可能，供其選擇。對于位置傳感器，TI主推兩款：DRV5055、TMAG5173-Q1。DRV5055-Q1是一款線性霍爾效應(yīng)傳感器，可按比例響應(yīng)磁通密度。該器件可用于在各種應(yīng)用中進行精確的位置感測。該器件由 3.3V 或 5V 電源供電。
MSPM0 為什么適用于 BLDC的 FOC方案？
TI的可擴展 M0+ MSPM0Gxx 高性能 MCU 具有先進的片上電機控制外設(shè)，可以為各種電機控制應(yīng)用提供設(shè)計。該產(chǎn)品系列涵蓋 32KB 至 128KB 的閃存，并具有可擴展的模擬集成、電機控制外設(shè)和 CAN。在 BLDC的FOC 應(yīng)用中，MSPM0 監(jiān)控電機狀態(tài)并運行 FOC 算法。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和電機電壓，F(xiàn)OC應(yīng)用中使用了兩種主要的模擬集成拓撲，特別是在需要使用觀測器估算電機實時位置的無傳感器 FOC 應(yīng)用中。MSPM0G 還提供了一個集成硬件加速器用于執(zhí)行計算，以在 30kHz PWM 頻率或更高頻率下實現(xiàn)高效的 FOC 性能。
圖8. MSPM0G系列
● 80MHz M0+ CPU – 縮短 FOC 算法和檢測信號的處理時間
● 集成數(shù)學(xué)加速器
– 用于定點和 IQ 格式數(shù)字的 32 位硬件除法器（8 個周期）
– 在 21 個周期內(nèi)完成平方根運算
– 在 29 個周期內(nèi)完成 24 位三角函數(shù)計算（sin、cos、atan）
● 兩個獨立的 4MSPS 12 位 ADC 模塊（多達 16 個通道）
– 多達 11 個 ENOB 并具 SNR
– 在 250ns 內(nèi)進行高達 4MSPS 的 ADC 升壓電機相電流檢測
● 兩個“零漂移”斬波運算放大器 - 精確放大兩相電流并計算第三相電流
● 三個高速比較器 – 以零等待時間實現(xiàn)電機的硬件低側(cè)電流限制
● 先進的電機控制計時器 – 靈活的 6 PWM 控制和交叉觸發(fā)器
– 中心對齊的 PWM 生成
– 非對稱 PWM 允許以受控的相移生成兩個中心對齊的 PWM 信號。
– 具有死區(qū)插入的互補 PWM
– 交叉觸發(fā)器生成 ADC 時序以捕獲兩相電流
● 具有毛刺干擾濾波器的穩(wěn)健 IO 設(shè)計 – 提供在存在電機噪聲的情況下仍可靠運行的系統(tǒng)。
● 全面的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI 和 CAN-FD，可滿足電機控制系統(tǒng)的所有通信要求。
● FOC 算法庫 – 縮短電機控制設(shè)計的上市時間。（多種設(shè)計資源）
● 可擴展 MCU 產(chǎn)品系列 - 涵蓋各種閃存選項的引腳對引腳兼容器件。
● 低成本、小尺寸封裝 - 適用于空間受限的設(shè)計的選項。
● 寬工作溫度范圍（-40°C 至 +125°C）
● 符合汽車級 Q100 標(biāo)準(zhǔn)的功能安全選項（高達 ASIL-B），可確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。
方案二：單芯片無代碼無傳感器 FOC方案—MCF8316C-Q1
隨著電子電路的高度集成化，完全集成式解決方案可進一步降低成本，減少布板空間。例如TI的MCF8316C-Q1完全集成式單芯片無代碼無傳感器 FOC方案，使成本進一步降低。 該集成芯片采用預(yù)編程、只需微調(diào)的無刷直流電機控制算法、可在系統(tǒng)設(shè)計階段通過MCU的簡單I2C接口配置集成的電可擦除可編程只讀存儲器來實現(xiàn)。它們還提供硬件配置、支持系統(tǒng)設(shè)計人員在沒有 MCU 的情況下調(diào)整電機。MCF8316C-Q1集成了六個MOSFET、實現(xiàn)了采用7mmx5mm封裝的完整實時電機控制解決方案。MCF8316C-Q1 為客戶提供了一個單芯片無代碼無傳感器 FOC 方案，可用于驅(qū)動12V 至 24V 無刷直流電機 (BLDC)，峰值電流高達 8A，功率高達40W。4.5V 至 35V 工作電壓（絕對大值 40V）。
圖9. 方案二 MSPM0G3507+DRV8316-Q1
若需要CAN接口進行通訊，則也可接一個MCU，但無需自己調(diào)試FOC算法，MCF8316C-Q1集成了FOC算法，并具有多種調(diào)優(yōu)功能。
圖10.利用MCU做橋接進行通訊
單芯片無代碼無傳感器 FOC方案—MCF8316C-Q1的特點及優(yōu)勢：
1. 使用無需編程無傳感器電機控制來縮短設(shè)計時間
MCF8316C-Q1無刷直流電機驅(qū)動器包括一系列獨特的換向控制算法，無需開發(fā)、維護和驗證電機控制軟件算法，從而大大減少設(shè)計時間。這些算法和高集成特性可以使電機系統(tǒng)能更好地管理電機故障檢測等關(guān)鍵功能并實施保護機制，從而提高系統(tǒng)可靠性。MCF8316C-Q1集成了無傳感器技術(shù)來確定轉(zhuǎn)子位置，因此無需外部霍爾傳感器，從而降低了系統(tǒng)成本并提高了可靠性(位置傳感器受環(huán)境影響可能會失效或者測量不準(zhǔn)確)。
此外，MCF8316C-Q1 無傳感器磁場定向控制電機驅(qū)動器可智能地提取電機參數(shù)，使設(shè)計人員能夠快速調(diào)優(yōu)電機，使不同的電機實現(xiàn)一致的系統(tǒng)性能，而不受電機制造差異的影響。此外，若對噪聲要求不高的場合，通過 MCT8316Z-Q1 無傳感器梯形控制電機驅(qū)動器，設(shè)計人員僅需五個硬件引腳即可對電機進行調(diào)優(yōu)。由于無需微控制器接口，因此可簡化系統(tǒng)。
2. 更低的噪音
在電機驅(qū)動器應(yīng)用中，噪音是指電機換向和諧波頻率造成的可聞噪聲。電機相電流中的任何失真都會造成可聞噪聲。電機中的定子勵磁會在可聞頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生機械諧振，進而導(dǎo)致出現(xiàn)可聞噪聲。當(dāng)電機以較低速度運行時，能夠清楚地聽到電機換向造成的噪音。對于車內(nèi)旋轉(zhuǎn)屏和可翻轉(zhuǎn)吸頂屏應(yīng)用，降低噪音能在很大程度上提升乘車體驗感，因此降低噪聲是對電機驅(qū)動應(yīng)用不可或缺。對于MCF8316C-Q1，系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過連續(xù)PWM調(diào)制、死區(qū)時間補償和可變換向模式等控制技術(shù)最大限度地降低可聽噪音。
（1）連續(xù)PWM調(diào)制技術(shù)：
在連續(xù)空間矢量調(diào)制方案中，相電流波形整形將為正弦形狀且沒有失真。在非連續(xù)空間矢量調(diào)制方案中，低電感電機預(yù)計會存在相電流失真，因為只有兩個相位會進行脈寬調(diào)制。圖11展示了非連續(xù) PWM 調(diào)制模式下的相電流波形與相電流快速傅里葉變換 (FFT)。圖12展示了連續(xù) PWM 調(diào)制模式下的相電流波形與相電流 FFT。與非連續(xù)調(diào)制模式中的相電流波形相比，連續(xù)調(diào)制模式中的相電流波形會更加干凈，也更像正弦形狀。
圖11. 相電流波形與 FFT - 非連續(xù) PWM 調(diào)制
圖12.相電流波形與 FFT - 連續(xù) PWM 調(diào)制
（2）死區(qū)時間補償：
在半橋橋臂上，高側(cè)和低側(cè) MOSFET 的開關(guān)瞬間之間會存在死區(qū)時間，以避免發(fā)生電流擊穿。由于存在死區(qū)時間插入，相節(jié)點上的預(yù)期電壓與施加的電壓會因相電流方向而異。相節(jié)點電壓失真會在相電流中引入不必要的失真，進而導(dǎo)致可聞噪聲。MCF8316C-Q1使用一項獲得專利的精密自動死區(qū)時間補償技術(shù)，利用諧振控制器將相電流中的諧波分量控制為零，從而確保緩解死區(qū)時間導(dǎo)致的電流失真。Iq 和 Id控制路徑中都包含諧波控制器。圖13展示了禁用死區(qū)時間補償時的相電流波形與相電流FFT。圖 14展示了啟用死區(qū)時間補償時的相電流波形與相電流 FFT。在以下圖片中，PWM 輸出頻率設(shè)為 60 kHz，死區(qū)時間設(shè)為500ns。電機頻率為12Hz。如圖中電流波形的 FFT 所示（信號以粉色顯示），在啟用死區(qū)補償后，相電流波形變得更加干凈。
圖13. 相電流波形與 FFT - 禁用死區(qū)時間補償
圖14. 相電流波形與 FFT - 啟用死區(qū)時間補償
圖15. 禁用死區(qū)時間補償和啟用死區(qū)時間補償?shù)膶Ρ?/p>
為了更好的對噪聲情況進行衡量，使用手持式聲級計測量了聲學(xué)性能（以dBA為單位）。借助死區(qū)補償和連續(xù) PWM 調(diào)制方案，在電機電氣頻率為 33Hz，可聞噪聲減少了 3.3 dBA。（MCF8316C-Q1基本性能與MCF8316A相同，MCF8316C-Q1在MCF8316A的基礎(chǔ)上進行了更合理的優(yōu)化設(shè)計）。
圖16. 采用 MCF8316A 時的可聞噪聲比較（距離電機2cm處的測量數(shù)據(jù)）
需要強調(diào)的是噪音的大小與距離電機的距離緊密相關(guān)。點聲源聲傳播距離增加一倍，衰減值是6 dB，我們的測試條件是在距離電機2cm處進行的測量，當(dāng)距離電機50cm處測量時，電機的可聽噪音將低于30dB，甚至更低。
(3) 可變換向方案（針對MCT8316Z-Q1無傳感器梯形控制）：
在可變換向方案中，MCT8316A 器件會根據(jù)電機頻率，在 120° 和 150° 梯形換向之間動態(tài)切換。在較低速度下，該器件會以 150° 模式工作，而在較高速度下，則會切換至 120° 模式。在 120° 換向模式下，當(dāng)電機相位因為儲存的電感電流而進入高阻態(tài)狀態(tài)時，相電流中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩紋波，進而導(dǎo)致聲學(xué)噪聲。為了減少轉(zhuǎn)矩紋波的影響并改善聲學(xué)噪聲性能，MCT8316A 器件會在可變換向模式下延長 120° 驅(qū)動時間并在進入高阻態(tài)前逐漸減少占空比，從而減小相電流。在此模式下，相位會在 30° 和 60° 之間處于高阻態(tài)，并且該窗口大小會根據(jù)速度進行動態(tài)調(diào)整，當(dāng)窗口尺寸較小時，可以獲得理想的聲學(xué)性能。圖 17展示了 150° 換向模式下的相電流與電流波形 FFT。在 150° 換向模式中，相電流形狀更像正弦波形。
圖17. 相電流波形與 FFT - 120° 梯形換向
圖18. 相電流波形與 FFT - 150° 梯形換向
3. 利用實時控制加快系統(tǒng)響應(yīng)和多種啟動及運行功能
MCF8316C-Q1 是業(yè)內(nèi)先進的產(chǎn)品，可提供快速且受控的方式來主動降低電機速度，使工程師能夠以比傳統(tǒng)電機控制技術(shù)快 50% 的速度關(guān)停電機。此外，該芯片可在關(guān)停電機時將能量有選擇地泵回電源軌，從而保護系統(tǒng)免受損壞。此外，MCT8316Z-Q1 無傳感器梯形控制電機驅(qū)動器可以達到最大3.5kHz的電機頻率，比任何其他無需編程的無傳感器電機驅(qū)動器都快。這在需要快速和精確電機控制的應(yīng)用中加快了系統(tǒng)響應(yīng)。
可靠的電機啟動：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1通過對齊或初始位置檢測 (IPD)，可以準(zhǔn)確檢測電機的轉(zhuǎn)子位置，確保可靠的電機啟動。初始速度檢測 (ISD)，支持在 10ms 以內(nèi)重新同步。
功率限制：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1具有功率限制功能，可防止電池出現(xiàn)電涌。負載突然變化會導(dǎo)致電機消耗更多電能并產(chǎn)生尖峰。功率限制功能會設(shè)置功率閾值以避免發(fā)生尖峰。這延長了電池的使用壽命，從而使消費者不必更換器件。
主動制動和電機鎖定功能：檢測或預(yù)測轉(zhuǎn)子鎖定的能力有助于更大限度地減少功率損耗、器件故障或損壞。TI 的MCF8316C-Q1可在電機運行期間持續(xù)檢查不同的電機鎖定條件、并在檢測到鎖定事件時立即采取行動。例如在吸頂屏應(yīng)用中，若吸頂屏被異物卡住時，系統(tǒng)負載激增、這種情況會被系統(tǒng)判定為電機鎖定狀態(tài)、然后電機能夠向相反方向旋轉(zhuǎn)以松開物體并繼續(xù)正常運行。
4. 減少70%的布板空間
MCF8316C-Q1和 MCT8316Z-Q1可幫助設(shè)計師縮小70%的布板空間，并降低電機系統(tǒng)的總成本。該芯片集成了三個柵極驅(qū)動器和六個高側(cè)和低側(cè) MOSFET，每個均具有 50mΩ 的導(dǎo)通電阻(高側(cè)加低側(cè)的RDS(ON) (HS + LS) 為95mΩ)。這兩個電機驅(qū)動器還集成了例如低壓降（LDO）穩(wěn)壓器、直流/直流降壓穩(wěn)壓器和電流檢測放大器等元件，省去了18個分立式元件，進一步降低了系統(tǒng)成本。
3. 有刷直流電機
有刷電機結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)展時間長，技術(shù)比較成熟，控制電路簡單。直流有刷電機控制精度高，直流有刷電機通常與齒輪箱和編碼器配合使用，使電機的輸出功率更大，控制精度更高。但有刷直流電機運行噪音較大，且由于電刷的存在壽命較短。這就需要根據(jù)需要進行權(quán)衡了。
對于旋轉(zhuǎn)屏和吸頂屏，有刷直流電機也是適用的。TI推薦使用完全集成式高功率密度電機驅(qū)動器DRV8243-Q1減小系統(tǒng)尺寸。MSPM0 MCU 憑借其豐富的產(chǎn)品系列和模擬功能以及針對有刷直流電機控制優(yōu)化的軟件資源，可以充分發(fā)揮 H 橋結(jié)構(gòu)的作用。想查看更多關(guān)于MSPMO MCU控制無刷電機的相關(guān)文檔，請點擊下面鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進電機和有刷直流 (BDC) 電機實現(xiàn)優(yōu)化的 H 橋驅(qū)動器控制 (Rev. A) (ti.com.cn)
DRV8243-Q1的特點及優(yōu)勢：
1. 減少系統(tǒng)尺寸和布板空間
在設(shè)計成本優(yōu)化型汽車系統(tǒng)時、需要重點考慮減小系統(tǒng)尺寸和減小布板空間。減小封裝尺寸并將功能集成到有刷直流驅(qū)動器中、可減少外部元件數(shù)量、從而節(jié)省布板空間并降低成本。RV8243-Q1系列推出了汽車類 HotRodTM QFN封裝、尺寸下限為3mm x 4.5mm、是用于有刷直流驅(qū)動的同類產(chǎn)品中的超小封裝之一。
集成電流檢測：采用內(nèi)部電流鏡架構(gòu)和電流反饋引腳、無需外部電流檢測電阻器、從而節(jié)省布板空間并降低成本。
集成式場效應(yīng)晶體管(FET)解決方案- DRV8243-Q1系列可輸出高達12A的驅(qū)動電流。 借助支持中高電流的集成式解決方案、無需使用柵極驅(qū)動器和外部FET、可節(jié)省布板空間和成本。
2. 先進的故障保護和診斷功能
DRV8243-Q1芯片系列是首批在電機驅(qū)動器處于開啟和關(guān)閉狀態(tài)時都能提供開路負載檢測和短路保護的芯片。即使H橋處于關(guān)閉狀態(tài)、該功能也有助于避免電機驅(qū)動器損壞或出現(xiàn)異常的故障。
SPI 界面給出保護設(shè)定和詳細故障診斷，旨在確定故障的類型及其位置，通過所提供得電機驅(qū)動器故障問題根源，可節(jié)省設(shè)計人員排除修改故障的時間。
3. 采用可擴展驅(qū)動器優(yōu)化設(shè)計時間
DRV8243-Q1系列的 H 橋和半橋驅(qū)動器支持設(shè)計重復(fù)使用、可在汽車系統(tǒng)中擴展不同負載。 該器件系列具有相似的固件、功能和封裝引腳排列、支持在各種負載和電流范圍內(nèi)重復(fù)使用、有助于縮短設(shè)計時間。除了具有相似固件外、DRV8243-Q1和 DRV8244-Q1引線式封裝還具有引腳對引腳兼容性、因此在按比例調(diào)高或調(diào)低功率級別時更容易插入和更換這些器件。
MSPM0 為什么適用于步進電機和有刷直流電機控制？
TI 的可擴展 M0+ MSPM0Lx 主流 MCU 具有片上電機控制外設(shè)，可為各種電機控制應(yīng)用提供設(shè)計。MSPM0Lxxx 器件具有高達 32MHz 的 CPU 速度和 8KB 至 64KB 的閃存產(chǎn)品系列以及可擴展的模擬集成和電機控制外設(shè)，可用于步進電機和有刷直流電機設(shè)計。
圖19. MSPM0L系列
● 32MHz M0+ CPU – 減少控制和檢測信號的處理時間
● 1MSPS 12 位 ADC 模塊（多達 10 個通道）– 檢測 H 橋電流
● 兩個零溫漂斬波運算放大器 – 精確放大雙路 H 橋電流
● 高速比較器 – 為電機實現(xiàn)快速電流保護
● 四個通用計時器 – 靈活的 PWM 控制和交叉觸發(fā)器
– 同步和交叉觸發(fā)器，用于生成多相電機控制 PWM
– 多達 8 個 PWM（可以驅(qū)動 4 個 BDC 電機或 2 個步進電機）
● 具有毛刺干擾濾波器的穩(wěn)健 IO 設(shè)計 – 提供在電機噪聲下可靠運行的系統(tǒng)
● 全面的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI，可滿足電機控制系統(tǒng)的所有通信要求。
● 具有引腳對引腳兼容器件的可擴展 MCU 產(chǎn)品系列涵蓋了各種閃存選項。
● 小尺寸封裝適用于空間受限的設(shè)計。
MSPM0 在有刷直流電機控制中有什么作用？
在有刷直流應(yīng)用中，MSPM0 可以監(jiān)控電機狀態(tài)，運行算法并生成 PWM 來驅(qū)動電機（通過前置驅(qū)動器器件）。借助可擴展的模擬集成，MCU 可以快速計算出總線電壓、電機電流和轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確值，然后為控制算法提供輸入。MSPM0L13xx 可以生成 8 個 PWM，因此可以同時驅(qū)動 4 個 BDC 電機。
圖20. 用于有刷直流電機控制的 MSPM0L13xx 電機控制方框圖
4. 步進電機
步進電機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移或者線位移的控制電機, 它能夠在不涉及復(fù)雜反饋環(huán)路的情況下實現(xiàn)良好的定位精度，并由于具有價格低廉、易于控制、無積累誤差等優(yōu)點,在需要高精度控制的場合中中獲得了廣泛的應(yīng)用，具有較高的實用價值。
步進電機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機。當(dāng)步進電機驅(qū)動器接受到一個脈沖之后就驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步距角。所以通過控制脈沖個數(shù)來控制步進電機轉(zhuǎn)動的角位移，達到精確定位的目的。步進電機動態(tài)響應(yīng)快，易于啟動、停止和反轉(zhuǎn)，無累積誤差，并在停止時能自鎖，這些使其非常適合用于旋轉(zhuǎn)屏應(yīng)用。但步進電機在低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲都比較大。
對于旋轉(zhuǎn)屏和吸頂屏，有刷直流電機也是適用的。TI推薦使用完全集成的步進電機驅(qū)動器DRV8889-Q1，可節(jié)省布板空間和系統(tǒng)成本。MSPM0 MCU 憑借其豐富的產(chǎn)品系列和模擬功能以及針對步進電機控制優(yōu)化的軟件資源，可以充分發(fā)揮 H 橋結(jié)構(gòu)的作用。想查看更多關(guān)于MSPMO MCU控制步進電機的相關(guān)文檔，請點擊下面鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進電機和有刷直流 (BDC) 電機實現(xiàn)優(yōu)化的 H 橋驅(qū)動器控制 (Rev. A) (ti.com.cn)
DRV8889-Q1是完全集成的步進電機驅(qū)動器，可支持高達1.5A的滿量程電流，先進的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達1/256級微步進，以實現(xiàn)平滑的運動軌跡。集成電流感應(yīng)功能消除了對兩個外部電阻的需求，從而節(jié)省布板空間和成本。
DRV8889-Q1 集成了電機電流感應(yīng)和高級電路，可幫助在微步進期間檢測失速。利用先進的失速檢測算法，設(shè)計人員可以檢測到電機是否停止運行，并根據(jù)需要采取措施，從而提高效率并減少噪聲。
由于電機線圈由脈寬調(diào)制 (PWM) 信號驅(qū)動，因此 EMI 確實會成為一個問題。DRV8889-Q1 還包含可編程壓擺率控制和擴頻技術(shù)，以幫助降低 EMI。
MSPM0 在步進電機控制中有什么作用？
在步進應(yīng)用中，MSPM0 可以：
● 監(jiān)控電機狀態(tài)（可選）
● 運行 BDC 或步進電機控制算法
● 與柵極驅(qū)動器通信，以設(shè)置驅(qū)動器或微步進設(shè)置（可選）
● 生成 PWM 以驅(qū)動電機（通過預(yù)驅(qū)動器器件）。
借助可擴展的模擬集成，MCU 可以快速計算總線電壓、電機電流和轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確值，然后為控制算法提供輸入。MSPM0L13xx 可以生成多達 8 個 PWM 信號，因此可以同時驅(qū)動兩個步進電機。
使用帶 PWM 接口的步進驅(qū)動器的 MSPM0 步進控制
基本步進驅(qū)動器通常使用 PWM 接口進行步進控制，其中特定的 PWM 模式可以在控制步進電機位置的同時提供扭矩控制。為此，MSPM0 提供 4 個 PWM 輸入信號，使用全步進或半步進換向模式來控制通過步進電機相位的相應(yīng)電流。
此外，許多步進驅(qū)動器包括來自模擬輸入信號的電流調(diào)節(jié)，這可以使用來自集成比較器的 MSPM0 的 8 位 DAC 輸出來提供，以使電流曲線變得平滑。該拓撲適用于玩具、智能鎖、機器人和安全攝像頭等高扭矩或低精度步進應(yīng)用。
圖20. 使用帶 PWM 接口的步進驅(qū)動器的 MSPM0L1xxx 步進電機控制
5. 用于HUD應(yīng)用的電機驅(qū)動器
對于IVI系統(tǒng)，利用微型步進電機或有刷直流電機驅(qū)動 HUD屏并實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，可智能控制顯示屏翻轉(zhuǎn)的角度，滿足不同身高的用戶觀看HUD顯示屏的顯示需求。
TI推薦用于HUD的明星產(chǎn)品為步進電機驅(qū)動器DRV8889-Q1和有刷電機驅(qū)動器DRV8876-Q1.
DRV8889-Q1是完全集成的步進電機驅(qū)動器，可支持高達1.5A的滿量程電流，先進的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達1/256級微步進，以實現(xiàn)平滑的運動軌跡。集成電流感應(yīng)功能消除了對兩個外部電阻的需求，從而節(jié)省了布板空間和成本。利用先進的失速檢測算法，設(shè)計人員可以檢測到電機是否停止運行，并根據(jù)需要采取措施，從而提高效率并減少噪聲。通常W-HUD和AR-HUD采用步進電機驅(qū)動器DRV8889-Q1。通常C-HUD既有使用步進電機驅(qū)動DRV8889-Q1，也有使用直流有刷電機驅(qū)動DRV8876-Q1。
圖21.AR-HUD
圖22. C-HUD
TI電機控制器芯片涵蓋整個汽車電機控制領(lǐng)域。一些終端應(yīng)用的明星產(chǎn)品目錄如下：
表4. 汽車領(lǐng)域明星產(chǎn)品目錄:
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