工業(yè)和汽車(chē)用的電機控制動(dòng)向

Nicole?Navinsky? （德州儀器（TI）馬達驅動(dòng)業(yè)務(wù)線(xiàn)市場(chǎng)經(jīng)理） 

方? 舟? （德州儀器（TI）馬達驅動(dòng)與電機控制相關(guān)應用與產(chǎn)品業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理）

摘? 要：介紹了工業(yè)、三相無(wú)刷和步進(jìn)電機、汽車(chē)領(lǐng)域電機的應用動(dòng)向，及TI的新芯片產(chǎn)品及解決方案。 

關(guān)鍵詞：電機；控制；三相無(wú)刷；步進(jìn)電機；集成

1  電機的應用動(dòng)向 

不同的電機使用場(chǎng)景對電機控制系統發(fā)展的要求不盡相同。 

1）在工業(yè)電機應用領(lǐng)域中，包括變頻器、伺服 和機器人等。這些工業(yè)領(lǐng)域中電機控制系統對電機的運行效率、運動(dòng)控制速 度、精度、可靠性、功率密度和智能化要求會(huì )越來(lái)越高。工業(yè)4.0系統需求讓電機控制系統不僅僅是一個(gè)執行單元，還需要承擔更多的監控、信息采集、運行狀態(tài)監控功能。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，將終端生產(chǎn)指令在電機控制單元快速執行，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)縫同步、多軸協(xié)同。同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中，可以收集大量的數據，以?xún)?yōu)化生產(chǎn)流程，實(shí)時(shí)監控電機狀態(tài)進(jìn)行可預測性診斷與防護。 

2）三相無(wú)刷和步進(jìn)電機通常用于紡織、家電、 打印機、3D打印、電動(dòng)滑板等應用場(chǎng)景。更小、更安靜、更可靠是主要發(fā)展趨勢。三相無(wú)刷電機提供更快的反饋速度、更高的效率、更長(cháng)的使用壽命、更低的噪聲，已經(jīng)在電動(dòng)工具、機器人、風(fēng)扇等應用中逐步開(kāi)始替換傳統的直流電機，市場(chǎng)占有率越來(lái)越高。傳統的三相無(wú)刷和步進(jìn)電機方案需要使用主控MCU、分立驅動(dòng)和功率Si MOSFET分立方案，尺寸大而且設計難度較高。目前主流全集成SoC方案包含電機控制算法、驅動(dòng)和功率器件，可以幫助客戶(hù)快速實(shí)現量產(chǎn)，并且使客戶(hù)更專(zhuān)注在產(chǎn)品功能的打磨，而節省客戶(hù)花費在電機控制系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 

3）在汽車(chē)領(lǐng)域，有刷電機驅動(dòng)器也展現出令人興奮的發(fā)展。腰部支撐、座椅高度調節和座椅冷卻/加熱曾被認為是豪華功能，現在也逐漸進(jìn)入到主流車(chē)型中。 如今，僅僅是為駕駛員和乘客的前排座椅移動(dòng)和舒適性而設計的方案就包含10個(gè)以上的電機驅動(dòng)器。 

在傳統方案中，汽車(chē)制造商使用大型繼電器來(lái)驅動(dòng)有刷電機，現在許多制造商正轉向全集成電機驅動(dòng)方案，最顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠控制電機速度，利用集成保護功能，減小尺寸和噪聲，以及提高可靠性。使用了電機集成電路方案，車(chē)窗開(kāi)始具有高級功能，包括速度控制和防夾功能。

2  TI的芯片動(dòng)向 及解決方案

TI豐富的產(chǎn)品線(xiàn)正好能夠提供電機控制方案所有關(guān)鍵應用的核心，包括主控DSP方案、驅動(dòng)器、IGBT和 SiC驅動(dòng)器、電流隔離采樣、隔離器、全集成三相電機 驅動(dòng)器、GaN功率管等。 

具體地，作為電機控制的核心，TI C2000系列產(chǎn)品持續提高主頻，并集成了高速ADC、高精度PWM，幫助電機控制算法達到更高電流閉環(huán)、速度環(huán)帶寬。 

另外，數據顯示^[1]在2019年，傳統的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)的節點(diǎn)數第一次出現了下 降，工業(yè)以太網(wǎng)成長(cháng)逐漸超過(guò)傳統RS485和CAN等工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)。TI C2000 最新F2838系列產(chǎn)品中， 第一次在內部集成工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Ethercat以滿(mǎn)足工業(yè)4.0對通信帶寬日益增長(cháng)的要求，能夠使用單芯片完成總線(xiàn)型變頻器與伺服驅動(dòng)器設計。另外TI Sitara 產(chǎn)品線(xiàn)同時(shí)也在積極布局多總線(xiàn)協(xié)議，例如Profinet、 EthernetIP、CC-link等。 

隨著(zhù)工業(yè)電機控制器尺寸越來(lái)越小，功率密度隨之增加。更小的空間帶來(lái)了更嚴苛的設計挑戰，包括發(fā)熱、EMI和穩定性。業(yè)界領(lǐng)先的開(kāi)發(fā)商開(kāi)始使用全新的功率器件像GaN和SiC來(lái)解決這些問(wèn)題。TI提供GaN 產(chǎn)品LMG3410集成GaN功率管和驅動(dòng)方案，幫助客戶(hù)克服GaN高頻驅動(dòng)設計的難關(guān)。最新一代的驅動(dòng)芯片UCC2351x和 UCC2171x系列產(chǎn)品，將驅動(dòng)芯片工作環(huán)境溫度推高到120 ℃以上，最大的驅動(dòng)電流達到10 A。 最新隔離采樣方案AMC3301在一個(gè)芯片中實(shí)現隔離 ADC和隔離供電的功能。這些最新方案幫助客戶(hù)解決了 EMI、芯片散熱、方案尺寸等極其挑戰的問(wèn)題。 

在步進(jìn)電機控制領(lǐng)域，TI的步進(jìn)電機驅動(dòng)器集成先進(jìn)的智能調整技術(shù)，它可以自動(dòng)調整步進(jìn)電機電流衰減模式，降低噪音，同時(shí)提高效率，最高可降低10 ℃電機運行溫度。最新的適用于汽車(chē)行業(yè)的步進(jìn)電機 DRV8889-Q1，不僅包含TI的智能調整技術(shù)，而且它還具有失速檢測功能。在電動(dòng)車(chē)智能前照燈系統中，失速 檢測算法可以檢測到電機何時(shí)到達端點(diǎn)或撞上物體。這兩個(gè)功能都將幫助工程師顯著(zhù)降低車(chē)燈由一個(gè)端點(diǎn)運行到另一端終點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲。 

1）工業(yè)電機控制系統方案

在方案設計過(guò)程中，提供單一芯片遠遠不夠，當用戶(hù)需要搭一個(gè)系統時(shí)，如果完全從零開(kāi)始進(jìn)行系統方案設計，硬件設計和軟件設計會(huì )比較困難。TI還針對馬達控制系統應用推出有針對性的完整參考方案，包括變頻器控制，伺服控制，線(xiàn)性電機，步進(jìn)電機，三相無(wú)刷電機，編碼器等?？蛻?hù)就可以像搭積木一樣模擬出一個(gè)系統，從而大幅降低原型機的開(kāi)發(fā)成本。比如在TI電機控制系統解決方案網(wǎng)站上，可以看到專(zhuān)門(mén)為高穩定性設計的絕對值編碼器方案TIDA-01401，為三相逆變器設計1.25kW GaN功率級方案等。

工業(yè)電機控制系統設計方案：

http://www.ti.com.cn/zh-cn/applications/industrial/motor-drives/overview.html

2）直流，步進(jìn)與三相無(wú)刷馬達控制方案

BDC電機驅動(dòng)器組合包括適用于所有類(lèi)型功率范圍的集成電路——從電池供電系統（低電壓支持和最低功耗是關(guān)鍵）到高功率系統（需要帶外部FET的柵極驅動(dòng)器來(lái)處理電流）。直流馬達和步進(jìn)馬達驅動(dòng)具有多種功能，如超低睡眠功率模式、小封裝、短路或開(kāi)路診斷、智能柵極驅動(dòng)、集成電流感測和內置電流傳感放大器。

得益于諸如智能柵極驅動(dòng)、集成電機控制、集成FET和功能安全設計封裝等技術(shù)， BLDC電機驅動(dòng)器能夠最大限度地提高三相無(wú)刷電機和永磁同步電機（PMSM）的性能，以支持各種各樣的工業(yè)、個(gè)人電子和汽車(chē)應用。我們的三相無(wú)刷BLDC電機驅動(dòng)器組合包括DRV8304（最大40V）、DRV8323（最大60V）和DRV8353（最大100V），這些驅動(dòng)器能夠在各種工業(yè)應用中實(shí)現更小、成本更低、可靠性更高的設計，如電動(dòng)工具、無(wú)人機和機器人。

直流/步進(jìn)/三相無(wú)刷電機控制方案：

http://www.ti.com.cn/zh-cn/motor-drivers/overview.html

參考文獻： 

[1] HMS發(fā)布2019工業(yè)網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)份額報告[R/OL].國際工業(yè)自 動(dòng)化網(wǎng), (2019-5-10), http://mp.ofweek.com/gongkong/ a945683822026. 

[2] TI工業(yè)電機控制系統設計方案[EB/OL].http://www.ti.com.cn/ zh-cn/applications/industrial/motor-drives/overview.html. 

[3] TI直流、步進(jìn)與三相無(wú)刷馬達控制方案[EB/OL]. http://www. ti.com.cn/zh-cn/motor-drivers/overview.html.

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第8頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。