【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(shí)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(shí)現(xiàn)車載觸摸屏可旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的作用不可或缺。要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)動，電機(jī)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(diǎn)。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(shí)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(shí)現(xiàn)車載觸摸屏可旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的作用不可或缺。要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)動，電機(jī)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(jī)。因?yàn)榕c交流電機(jī)相比，直流電機(jī)的控制系統(tǒng)更容易實(shí)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(jī)。常用的直流電機(jī)有兩種：有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。顧名思義，有刷直流電機(jī)帶有電刷，電刷可以使電機(jī)換向并旋轉(zhuǎn)；而無刷電機(jī)則用電子控制取代了機(jī)械換向功能。旋轉(zhuǎn)中控屏是既可以使用有刷直流電機(jī)，也可以使用無刷直流電機(jī)。兩種類型的電機(jī)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(diǎn)，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行具體選擇。表1總結(jié)了兩種電機(jī)類型的主要優(yōu)缺點(diǎn)。
表1. 兩種電機(jī)類型的主要優(yōu)缺點(diǎn)
無刷電機(jī)現(xiàn)在越來越普及，特別是在汽車電機(jī)等大批量應(yīng)用中。隨著無刷電機(jī)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(jī)逐漸滲透傳統(tǒng)有刷電機(jī)占據(jù)主導(dǎo)的應(yīng)用。在高端車型中絕大多數(shù)電機(jī)已經(jīng)換成了無刷電機(jī)，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的噪音更小。
2. 無刷直流電機(jī)
選擇 BLDC 驅(qū)動器時，第一步是確定電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，TI建議使用額定電壓高達(dá)最大電壓1.2倍的電機(jī)驅(qū)動器，而對于大功率電機(jī)和電池系統(tǒng)，則建議使用1.5倍到2倍的電機(jī)驅(qū)動器。集成式FET架構(gòu)的電機(jī)功率可通過方程式1計算得出，其中VM是電機(jī)電壓，IRMS是電機(jī)的標(biāo)稱電流。
經(jīng)常有客戶問到電機(jī)支持的峰值電流是多少，需要說明的是，峰值電流是電機(jī)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(jī)驅(qū)動器都具有過流保護(hù)等內(nèi)置保護(hù)功能。峰值電流是在過流保護(hù)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(dá)數(shù)十安培的峰值電流。對于電機(jī)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(jī)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(yàn)。電機(jī)噪聲的主要影響因素是電機(jī)的控制方式。無刷直流電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)的，這樣一來，一個相位為電機(jī)提供拉電流，另一個相位為電機(jī)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(jī)的位置并有效地對電機(jī)進(jìn)行換向。它是一種低成本、易于實(shí)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(jī)的反電動勢 (BEMF)呈正弦變化，若電機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩。FOC 的實(shí)現(xiàn)可能非常復(fù)雜，因?yàn)樗枰獜?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(jī)旋轉(zhuǎn)時估算角度和速度。這可能需要使用實(shí)時數(shù)字信號處理器 (DSP) 來對這些數(shù)學(xué)計算進(jìn)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動最小化的同時實(shí)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(jī)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?。赡軙锌蛻粢笤诰嚯x電機(jī)50cm處的噪音不超過30dB），電機(jī)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(jī)控制方案供客戶選擇，以下重點(diǎn)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能不斷提高、因此對實(shí)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(jī)實(shí)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?fù)渲欣每焖匐娏鳝h(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(dá)40W無刷直流電機(jī)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?？烧{(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(shí)現(xiàn)了 6x 或 3x PWM 控制方案，可用于使用外部微控制器實(shí)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(dá) 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(jìn)行高度配置，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(dá) 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(yàn)且高達(dá) 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(yùn)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(dá) 32Mbit/s，兩個 I2C 接口，60個GPIO，精度高達(dá) ±1.2% 的內(nèi)部 4MHz 至 32MHz 振蕩器 (SYSOSC)，一個高達(dá) 80MHz 的鎖相環(huán) (PLL)。
DRV8316-Q1的特點(diǎn)及優(yōu)勢：
1. 電流檢測放大器
電流檢測反饋在電機(jī)系統(tǒng)中非常重要，用于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制或檢測電流限制。TI 的 BLDC 電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動器。
2. 接口
在驅(qū)動 BLDC 電機(jī)旋轉(zhuǎn)之前，必須對許多驅(qū)動器設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)配置和調(diào)優(yōu)，以便電機(jī)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(hù)閾值、柵極驅(qū)動電流設(shè)置或 PWM 輸入模式。TI BLDC 電機(jī)驅(qū)動器提供多 種接口來簡化配置設(shè)置、診斷電機(jī)故障，甚至是控制電機(jī)本身。DRV8316-Q1支持串行外設(shè)接口 (SPI)、硬件 (H/W) 接口進(jìn)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(jī)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(jī)電壓高大約 10V的電壓，才能完全增強(qiáng)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(xiàng)來支持高側(cè) MOSFET 增強(qiáng)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(qiáng)。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(qiáng)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(jī)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(shí)現(xiàn)電荷泵運(yùn)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(jī)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(jìn)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(kuò)展 M0+ MSPM0Gxx 高性能 MCU 具有先進(jìn)的片上電機(jī)控制外設(shè)，可以為各種電機(jī)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(kuò)展的模擬集成、電機(jī)控制外設(shè)和 CAN。在 BLDC的FOC 應(yīng)用中，MSPM0 監(jiān)控電機(jī)狀態(tài)并運(yùn)行 FOC 算法。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和電機(jī)電壓，F(xiàn)OC應(yīng)用中使用了兩種主要的模擬集成拓?fù)洌貏e是在需要使用觀測器估算電機(jī)實(shí)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(shí)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(diǎn)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(yùn)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(dú)立的 4MSPS 12 位 ADC 模塊（多達(dá) 16 個通道）
– 多達(dá) 11 個 ENOB 并具 SNR
– 在 250ns 內(nèi)進(jìn)行高達(dá) 4MSPS 的 ADC 升壓電機(jī)相電流檢測
● 兩個“零漂移”斬波運(yùn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的硬件低側(cè)電流限制
● 先進(jìn)的電機(jī)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(bǔ) 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(jī)噪聲的情況下仍可靠運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)的所有通信要求。
● FOC 算法庫 – 縮短電機(jī)控制設(shè)計的上市時間。（多種設(shè)計資源）
● 可擴(kuò)展 MCU 產(chǎn)品系列 - 涵蓋各種閃存選項(xiàng)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(xiàng)。
● 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(xiàng)（高達(dá) 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(jìn)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(jìn)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(jī)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(shí)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(jī)。MCF8316C-Q1集成了六個MOSFET、實(shí)現(xiàn)了采用7mmx5mm封裝的完整實(shí)時電機(jī)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(jī) (BLDC)，峰值電流高達(dá) 8A，功率高達(dá)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(jìn)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(jìn)行通訊
單芯片無代碼無傳感器 FOC方案—MCF8316C-Q1的特點(diǎn)及優(yōu)勢：
1. 使用無需編程無傳感器電機(jī)控制來縮短設(shè)計時間
MCF8316C-Q1無刷直流電機(jī)驅(qū)動器包括一系列獨(dú)特的換向控制算法，無需開發(fā)、維護(hù)和驗(yàn)證電機(jī)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(jī)系統(tǒng)能更好地管理電機(jī)故障檢測等關(guān)鍵功能并實(shí)施保護(hù)機(jī)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(jī)驅(qū)動器可智能地提取電機(jī)參數(shù)，使設(shè)計人員能夠快速調(diào)優(yōu)電機(jī)，使不同的電機(jī)實(shí)現(xiàn)一致的系統(tǒng)性能，而不受電機(jī)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(jī)驅(qū)動器，設(shè)計人員僅需五個硬件引腳即可對電機(jī)進(jìn)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(jī)驅(qū)動器應(yīng)用中，噪音是指電機(jī)換向和諧波頻率造成的可聞噪聲。電機(jī)相電流中的任何失真都會造成可聞噪聲。電機(jī)中的定子勵磁會在可聞頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械諧振，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)可聞噪聲。當(dāng)電機(jī)以較低速度運(yùn)行時，能夠清楚地聽到電機(jī)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(yàn)感，因此降低噪聲是對電機(jī)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(bǔ)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(jī)預(yù)計會存在相電流失真，因?yàn)橹挥袃蓚€相位會進(jìn)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(bǔ)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(diǎn)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(diǎn)電壓失真會在相電流中引入不必要的失真，進(jìn)而導(dǎo)致可聞噪聲。MCF8316C-Q1使用一項(xiàng)獲得專利的精密自動死區(qū)時間補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(jī)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(bǔ)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(bǔ)償
圖14. 相電流波形與 FFT - 啟用死區(qū)時間補(bǔ)償
圖15. 禁用死區(qū)時間補(bǔ)償和啟用死區(qū)時間補(bǔ)償?shù)膶Ρ?/p>
為了更好的對噪聲情況進(jìn)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(bǔ)償和連續(xù) PWM 調(diào)制方案，在電機(jī)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(jìn)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(jī)2cm處的測量數(shù)據(jù)）
需要強(qiáng)調(diào)的是噪音的大小與距離電機(jī)的距離緊密相關(guān)。點(diǎn)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(jī)2cm處進(jìn)行的測量，當(dāng)距離電機(jī)50cm處測量時，電機(jī)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(jī)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(jī)相位因?yàn)閮Υ娴碾姼须娏鞫M(jìn)入高阻態(tài)狀態(tài)時，相電流中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩紋波，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)時控制加快系統(tǒng)響應(yīng)和多種啟動及運(yùn)行功能
MCF8316C-Q1 是業(yè)內(nèi)先進(jìn)的產(chǎn)品，可提供快速且受控的方式來主動降低電機(jī)速度，使工程師能夠以比傳統(tǒng)電機(jī)控制技術(shù)快 50% 的速度關(guān)停電機(jī)。此外，該芯片可在關(guān)停電機(jī)時將能量有選擇地泵回電源軌，從而保護(hù)系統(tǒng)免受損壞。此外，MCT8316Z-Q1 無傳感器梯形控制電機(jī)驅(qū)動器可以達(dá)到最大3.5kHz的電機(jī)頻率，比任何其他無需編程的無傳感器電機(jī)驅(qū)動器都快。這在需要快速和精確電機(jī)控制的應(yīng)用中加快了系統(tǒng)響應(yīng)。
可靠的電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子位置，確?？煽康碾姍C(jī)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(fù)載突然變化會導(dǎo)致電機(jī)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(fèi)者不必更換器件。
主動制動和電機(jī)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(jī)運(yùn)行期間持續(xù)檢查不同的電機(jī)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(fù)載激增、這種情況會被系統(tǒng)判定為電機(jī)鎖定狀態(tài)、然后電機(jī)能夠向相反方向旋轉(zhuǎn)以松開物體并繼續(xù)正常運(yùn)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(jī)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(jī)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(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。
3. 有刷直流電機(jī)
有刷電機(jī)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(jī)控制精度高，直流有刷電機(jī)通常與齒輪箱和編碼器配合使用，使電機(jī)的輸出功率更大，控制精度更高。但有刷直流電機(jī)運(yùn)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(jìn)行權(quán)衡了。
對于旋轉(zhuǎn)屏和吸頂屏，有刷直流電機(jī)也是適用的。TI推薦使用完全集成式高功率密度電機(jī)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(jī)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(jī)的相關(guān)文檔，請點(diǎn)擊下面鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進(jìn)電機(jī)和有刷直流 (BDC) 電機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的 H 橋驅(qū)動器控制 (Rev. A) (ti.com.cn)
DRV8243-Q1的特點(diǎn)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(diǎn)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(dá)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(jìn)的故障保護(hù)和診斷功能
DRV8243-Q1芯片系列是首批在電機(jī)驅(qū)動器處于開啟和關(guān)閉狀態(tài)時都能提供開路負(fù)載檢測和短路保護(hù)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(jī)驅(qū)動器損壞或出現(xiàn)異常的故障。
SPI 界面給出保護(hù)設(shè)定和詳細(xì)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(jī)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(kuò)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(kuò)展不同負(fù)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(fù)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(jìn)電機(jī)和有刷直流電機(jī)控制？
TI 的可擴(kuò)展 M0+ MSPM0Lx 主流 MCU 具有片上電機(jī)控制外設(shè)，可為各種電機(jī)控制應(yīng)用提供設(shè)計。MSPM0Lxxx 器件具有高達(dá) 32MHz 的 CPU 速度和 8KB 至 64KB 的閃存產(chǎn)品系列以及可擴(kuò)展的模擬集成和電機(jī)控制外設(shè)，可用于步進(jìn)電機(jī)和有刷直流電機(jī)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(dá) 10 個通道）– 檢測 H 橋電流
● 兩個零溫漂斬波運(yùn)算放大器 – 精確放大雙路 H 橋電流
● 高速比較器 – 為電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速電流保護(hù)
● 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(jī)控制 PWM
– 多達(dá) 8 個 PWM（可以驅(qū)動 4 個 BDC 電機(jī)或 2 個步進(jìn)電機(jī)）
● 具有毛刺干擾濾波器的穩(wěn)健 IO 設(shè)計 – 提供在電機(jī)噪聲下可靠運(yùn)行的系統(tǒng)
● 全面的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI，可滿足電機(jī)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(kuò)展 MCU 產(chǎn)品系列涵蓋了各種閃存選項(xiàng)。
● 小尺寸封裝適用于空間受限的設(shè)計。
MSPM0 在有刷直流電機(jī)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(jī)狀態(tài)，運(yùn)行算法并生成 PWM 來驅(qū)動電機(jī)（通過前置驅(qū)動器器件）。借助可擴(kuò)展的模擬集成，MCU 可以快速計算出總線電壓、電機(jī)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(jī)。
圖20. 用于有刷直流電機(jī)控制的 MSPM0L13xx 電機(jī)控制方框圖
4. 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的控制電機(jī), 它能夠在不涉及復(fù)雜反饋環(huán)路的情況下實(shí)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(diǎn),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(shí)用價值。
步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機(jī)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接受到一個脈沖之后就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角位移，達(dá)到精確定位的目的。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)也是適用的。TI推薦使用完全集成的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的相關(guān)文檔，請點(diǎn)擊下面鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進(jìn)電機(jī)和有刷直流 (BDC) 電機(jī)實(shí)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，可支持高達(dá)1.5A的滿量程電流，先進(jìn)的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達(dá)1/256級微步進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)平滑的運(yùn)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(jī)電流感應(yīng)和高級電路，可幫助在微步進(jìn)期間檢測失速。利用先進(jìn)的失速檢測算法，設(shè)計人員可以檢測到電機(jī)是否停止運(yùn)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(jī)線圈由脈寬調(diào)制 (PWM) 信號驅(qū)動，因此 EMI 確實(shí)會成為一個問題。DRV8889-Q1 還包含可編程壓擺率控制和擴(kuò)頻技術(shù)，以幫助降低 EMI。
MSPM0 在步進(jìn)電機(jī)控制中有什么作用？
在步進(jìn)應(yīng)用中，MSPM0 可以：
● 監(jiān)控電機(jī)狀態(tài)（可選）
● 運(yùn)行 BDC 或步進(jìn)電機(jī)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(jìn)設(shè)置（可選）
● 生成 PWM 以驅(qū)動電機(jī)（通過預(yù)驅(qū)動器器件）。
借助可擴(kuò)展的模擬集成，MCU 可以快速計算總線電壓、電機(jī)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(dá) 8 個 PWM 信號，因此可以同時驅(qū)動兩個步進(jìn)電機(jī)。
使用帶 PWM 接口的步進(jìn)驅(qū)動器的 MSPM0 步進(jìn)控制
基本步進(jìn)驅(qū)動器通常使用 PWM 接口進(jìn)行步進(jìn)控制，其中特定的 PWM 模式可以在控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)或半步進(jìn)換向模式來控制通過步進(jìn)電機(jī)相位的相應(yīng)電流。
此外，許多步進(jìn)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?fù)溥m用于玩具、智能鎖、機(jī)器人和安全攝像頭等高扭矩或低精度步進(jìn)應(yīng)用。
圖20. 使用帶 PWM 接口的步進(jìn)驅(qū)動器的 MSPM0L1xxx 步進(jìn)電機(jī)控制
5. 用于HUD應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動器
對于IVI系統(tǒng)，利用微型步進(jìn)電機(jī)或有刷直流電機(jī)驅(qū)動 HUD屏并實(shí)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器DRV8889-Q1和有刷電機(jī)驅(qū)動器DRV8876-Q1.
DRV8889-Q1是完全集成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，可支持高達(dá)1.5A的滿量程電流，先進(jìn)的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達(dá)1/256級微步進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)平滑的運(yùn)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(jìn)的失速檢測算法，設(shè)計人員可以檢測到電機(jī)是否停止運(yùn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器DRV8889-Q1。通常C-HUD既有使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動DRV8889-Q1，也有使用直流有刷電機(jī)驅(qū)動DRV8876-Q1。
圖21.AR-HUD
圖22. C-HUD
TI電機(jī)控制器芯片涵蓋整個汽車電機(jī)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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