車(chē)載電機驅動(dòng)的技術(shù)趨勢

1 前言
     近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題日趨嚴峻。在這種背景下，汽車(chē)的 油耗法規要求越來(lái)越嚴苛，以怠速停止車(chē)輛為首，混合動(dòng)力 汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程加速，并開(kāi)始普及。與此同時(shí)， 傳統的油壓控制（引擎動(dòng)力）機構開(kāi)始被電機控制機構取 代。同時(shí)，由于車(chē)輛的輕量化、零部件的小型化要求日益高 漲，對于電機的需求也發(fā)生了變化，從以往的DC電機轉變 為壽命長(cháng)、可高效驅動(dòng)的無(wú)刷電機。不僅如此，隨著(zhù)這些新 型車(chē)輛的靜音性能提高，對行駛時(shí)以及停車(chē)時(shí)的車(chē)內空間的 靜音性、舒適性的要求也越來(lái)越高。
為了滿(mǎn)足這些要求，需要如下電機驅動(dòng)技術(shù)。
①   實(shí)現靜音化的正弦波驅動(dòng)技術(shù)；
②   實(shí)現高效化的進(jìn)角控制技術(shù)；
③   實(shí)現電機優(yōu)化及小型化的無(wú)傳感器技術(shù)。
在此，我介紹一下搭載了這些技術(shù)的產(chǎn)品用例。

圖1 應用電路圖
2 正弦波驅動(dòng)技術(shù)
車(chē)載三相無(wú)刷預驅動(dòng)IC“BD16805”（參考圖1應用電 路圖）已在日本的混合動(dòng)力汽車(chē)的的電池冷卻風(fēng)扇和空調鼓 風(fēng)機風(fēng)扇的電機中被廣泛采用。作為車(chē)載領(lǐng)域用的產(chǎn)品，該 產(chǎn)品采用了業(yè)界首創(chuàng )的線(xiàn)性正弦波驅動(dòng)(180°通電)，實(shí)現 了電機的靜音化；同時(shí)，還內置進(jìn)角控制電路，非常有助于 汽車(chē)的高效化與低功耗化。
耐壓為最適合車(chē)載領(lǐng)域的60V， 輸出端內置充電泵電
路，可以驅動(dòng)NMOS組成的橋電路。另外，在速度控制方 面，既支持PWM輸入，又支持DC輸入。
傳統上，空調鼓風(fēng)機電機多采用DC電機和120°驅動(dòng) 的無(wú)刷電機。但是，這些電機存在打火噪音以及因電流急劇 變化時(shí)的轉矩變化導致的振動(dòng)和旋轉不平衡而產(chǎn)生的噪音問(wèn) 題。使這種電機的線(xiàn)圈電流接近正弦波驅動(dòng)，可實(shí)現電機的 靜音化和低振動(dòng)化（參考圖2）。另外，使磁鐵不要磁飽和
（ 梯形齒著(zhù)磁） 而進(jìn)行接近正 弦波的著(zhù)磁， 也是電機機械設 計過(guò)程中的注意要點(diǎn)?！?br />
3 進(jìn)角控制技術(shù)
為了更高效地驅動(dòng)電機， 保持產(chǎn)生最大轉矩的位置來(lái)創(chuàng )建 旋轉磁場(chǎng)是非常重要的，也就是 說(shuō)， 要在磁鐵的磁場(chǎng)和線(xiàn)圈電 流產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直的位置進(jìn)行驅 動(dòng)。因此，需要配合感應電壓的 相位和線(xiàn)圈電流的相位。

圖2   120°通電與180°通電驅動(dòng)電流波形的區別

圖3   進(jìn)角度控制原理  

圖4   輸出電流比較
隨著(zhù)轉速增加，受電感影響，線(xiàn)圈電流的相位滯后于 感應電壓（參考圖3右圖）。因此，即使在相同時(shí)間流過(guò)電 流，也會(huì )存在所產(chǎn)生的轉矩降低、效率下降問(wèn)題。
要防止這種效率下降，需要進(jìn)角控制技術(shù)，即如圖3左 圖所示，相對于感應電壓，驅動(dòng)電壓需要在相位上提前導 通。通過(guò)進(jìn)角控制，使線(xiàn)圈電流配合電機的感應電壓相位， 在最佳的相位高效率地產(chǎn)生所需的轉矩。這樣，U、V、W 相的合成轉矩再加上正弦波驅動(dòng)可變得平穩。利用這些技 術(shù)，可避免轉矩變動(dòng)，并實(shí)現靜音化、低振動(dòng)化。另外，此 車(chē)載三相無(wú)刷預驅動(dòng)IC“BD16805”從啟動(dòng)時(shí)即可進(jìn)行正弦 波驅動(dòng)，因此，無(wú)論在ON－OFF反復較多的電機應用中， 還是在振動(dòng)較大的啟動(dòng)時(shí)，均可實(shí)現靜音化。
在圖4中，比較了有無(wú)進(jìn)角控制的電機的轉速與輸出電 流。由圖中可知，尤其在高速旋轉時(shí)，輸出電流降低30%以上， 實(shí)現了高效驅動(dòng)。 該進(jìn)角控制的調整通過(guò)
VDEG引腳進(jìn)行。通過(guò)調整VREG引腳的施加電壓
（0V-2.5V之間），可在0-30°的范圍內設定進(jìn)角角 度。將電機設定為額定轉速，在穩定旋轉過(guò)程中， 電機電流減少，通過(guò)VREG引腳電壓決定效率良好 的進(jìn)角角度。4 無(wú)傳感器技術(shù)
如果是普通的風(fēng)扇，內置霍爾元件的電機驅動(dòng) 器是最佳選擇，但希望具備更高的可靠性和在高溫 下工作時(shí)，或電機結構上存在問(wèn)題時(shí)，有些電機更 適合無(wú)傳感器驅動(dòng)。油泵和水泵就是這類(lèi)情況。由 于轉子即磁鐵存在于水和油的流路中，因此很難捕 捉磁鐵的磁場(chǎng)。
ROHM面向這類(lèi)車(chē)載泵領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出無(wú)傳感器
方式150°驅動(dòng)的電機驅動(dòng)器。該IC中內置了進(jìn)角 控制功能。另外，考慮到安全性，還配置了各種保 護功能（過(guò)電壓、過(guò)電流、加熱、堵轉保護）。
在無(wú)傳感器技術(shù)中， 啟動(dòng)的可靠性是非常重 要的。因此，該IC首先在啟動(dòng)時(shí)判斷電機狀態(tài)（停 止、正向空轉、反向空轉），進(jìn)行使電機停動(dòng)的驅 動(dòng)對應。 然后， 通過(guò)同步驅動(dòng)的強制相位超前， 在啟動(dòng)時(shí)8次檢測反電動(dòng)勢后，轉換為120°通電硬 開(kāi)關(guān)驅動(dòng)模式，進(jìn)而392次檢測反電動(dòng)勢后，變?yōu)?br />150°通電模式。另外，還可根據電機，設定啟動(dòng) 時(shí)的相位超前驅動(dòng)周期和軟起動(dòng)的時(shí)間。
希望進(jìn)一步了解這些新產(chǎn)品詳情的， 請瀏覽ROHM的 官網(wǎng)： http://www.rohm.com.cn/web/china/，或咨詢(xún)ROHM 半導體（ 深圳） 有限公司設計中心。

5 結語(yǔ)
汽車(chē)的電動(dòng)化和高性能化發(fā)展迅速，預計所使用的電 機數量也將持續增加?！?br />ROHM以“ROHM讓所有的電機轉起來(lái)！”為口號，
產(chǎn)品開(kāi)發(fā)重心從以往的消費電子領(lǐng)域向家電、工業(yè)設備、車(chē) 載領(lǐng)域轉移。ROHM的產(chǎn)品不僅具有此次介紹的“正弦波驅 動(dòng)”、“進(jìn)角控制”、“無(wú)傳感器驅動(dòng)”技術(shù)優(yōu)勢，還擁有 融入“高耐壓”、“大電流”技術(shù)優(yōu)勢的SiC和IPM產(chǎn)品。 ROHM將繼續為低功耗的汽車(chē)制造貢獻力量。