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車輛中的小型電氣驅動器:在發展自動駕駛過程中提升便利性
 

【作者: Bernd Wondratschek】   2021年03月15日 星期一

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在未來,自動駕駛將會顯著提高駕駛的便利性,到那時候,許多小型電氣驅動器將使車輛的控制更加輕鬆與便捷。然而,它們的結構如何?需要滿足哪些要求?以及製造商可以提供哪些應用程式來為消費者帶來更加愉悅的駕駛體驗呢?


如今,一部中型車輛中有超過75個小型電氣驅動器,而且數量還在不斷增加中。在調節後視鏡或關閉行李箱門的電動手柄功能上使用了功率高達100 W的馬達,而根據使用者的狀況,還可能實現其他的自動調節機構,不僅包括座椅,還包括內部鏡子和頭枕,甚至包括用手勢控制車廂門,以及可能用來打開和關閉雜物箱。


由於小型驅動器使用車載12 V電壓,因此可以直接通過端子30(電池)或端子15(點火後)供電。這就是12 V電氣系統不會在未來的車輛中消失的其中一個原因。若把這個功率級別轉換為越來越流行的48 V技術,目前在降低生產和開發成本方面尚無任何明顯的好處。然而,48 V電氣系統擁有較低導線橫截面和標稱負載電流(僅是12 V系統的四分之一),這些都是長遠需要考慮的因素。


在高達100 W的驅動器中,使用了有刷直流(BDC)和無刷直流馬達(BLDC)以及步進馬達。後者理想用於需要絕對精度控制或需要進行非常精細的步進調整之應用,例如,用於調整後視鏡和移動儀錶板指標。BDC馬達可用於使用壽命長且效率高的場合,以降低成本。BLDC馬達是最穩健的型款,但它們更昂貴,並且有時控制起來較複雜。


控制器的結構和功能

圖一為帶有直流馬達的小型驅動器的簡化電路設計,其主要零組件包括:微控制器、系統基礎晶片(SBC)、MOSFET驅動器(閘極驅動器)和幾個MOSFET。SBC用於建立起與車輛匯流排的通訊介面,以確保為關鍵元件提供合適的電源,並能夠執行功能安全和可靠性方面的任務(例如看門狗功能)。每個MOSFET佈置為半橋,與在它們之間連接的馬達一起構成全橋(也稱為電橋)。添加另一個第三半橋可以建立一個B6配置,允許控制兩台DC馬達(如圖一所示)或一個三相BLDC馬達。



圖一 : 帶有直流馬達的小型驅動器的簡化結構
圖一 : 帶有直流馬達的小型驅動器的簡化結構

微控制器通過I/O引腳接收輸入控制器訊號,並對其進行處理以控制閘極驅動器。同時,它可以在發生錯誤時評測驅動器訊號。MOSFET由驅動器使用PWM訊號來觸發。


這種全橋/ B6配置可以使得馬達順時針或逆時針旋轉。


控制BDC馬達

BDC馬達基本上由轉子、帶碳刷的換向器和定子(或永久磁鐵)組成。碳刷將電流傳導到轉子,產生的摩擦力導致電刷磨損。旋轉運動是由於電流流過轉子而形成轉子磁場所產生的。轉子的磁場與定子的磁場對齊。一旦到達定子磁場的反極,安裝在轉子中的換向器就會改變轉子的磁場,並產生一個反向180°的磁場。這導致兩個相同的磁極互相排斥,並且轉子磁極被相對的定子磁極吸引。因此,換向是純機械的過程,在啟動過程中無需確定轉子的位置。


BLDC馬達

BLDC馬達的結構類似於交流同步馬達,並具有純電子式的換向機構,轉子中帶有永久磁鐵,定子中帶有可控繞組。繞組通常以彼此成120°的角度(或其中的可分割分數)佈置,並根據旋轉方向依次受激。轉子跟隨該旋轉磁場動作。


為避免因高啟動電流引起的過大負載,應在啟動前確定轉子位置,以確保在啟動期間啟動正確的繞組。


使用基於感測器的位置檢測,三個霍爾效應感測器可以精確檢測轉子永久磁鐵的磁場。這種方法導致較高的元件成本,並且需要更多的空間和繞線,但是構建起來很簡單。儒卓力提供了Diodes、Melexis和TDK-Micronas三家適用的霍爾效應感測器產品,它們皆通過AEC-Q100汽車?認證。


磁場定向控制(FOC)的軟體演算法實現和馬達尺寸轉換的管理非常複雜,但這卻是一種受歡迎的無感測器方法。為了幫助開發人員設計FOC實施方案,意法半導體(STMicroelectronics)提供了FOC軟體工具,即SPC5-MCTK-LIB程式庫以及與其SPC5微控制器系列相關的評測套件。該程式庫可與SPC560P以及SPC574K和SPC58NN型號一起使用,支援多種性能等級的控制器。


使用TLE9879三相嵌入式馬達驅動器(e-power IC),加上評測套件和FOC示範演算法,英飛凌為通過FOC進行無感測器BLDC控制提供了答案。這款IC的高整合度意味著僅需要B6橋和馬達。


步進馬達

步進馬達只有在定子上有繞組。它們通常被構造為複合式步進馬達,轉子結構的主要特徵是永久磁鐵和軟鐵芯的結合。繞組的選擇性觸發允許將轉子調整一個特定角度。


每步中的角度變化取決於馬達的相數和轉子中的極對數。角度變化通常為兩個相位的1.8°或0.9°(即定子中有兩個繞組,轉子芯中有相應數量的磁極)。步進馬達的控制相對簡單,它能夠實現可重複的運動並具有很高的精度。而且,它不需要任何位置回饋。


小型驅動器的要求

根據應用,小型電氣驅動器需要滿足各種要求,最重要的是:


‧ 高效率


‧ 體積小,重量輕


‧ 低噪音和靜音運行


‧ 抗壓性(水、灰塵、振動等)


‧ 不同的運行模式(連續運行、定期運行和短暫運行)


‧ 高可靠性,尤其是安全關鍵型驅動器


‧ 成本低


‧ 易於實施


半導體供應商正在通過為此目的而專門增強的IC元件來滿足這些需求。例如,Toshiba的TB9083FTG是專門為功能安全應用而設計的故障安全預驅動器。製程技術的最佳化實現了更小的封裝和更少的材料使用,例如Diodes的MOSFET (PowerDI3333-8)在40 V下的封裝尺寸約為3mm×3mm。降低驅動器中的偏置電流,MOSFET中更低的導通電阻(RDSon)提高了效率,從而降低功率損耗和熱量輸出。具有頂部冷卻和增強散熱功能的新封裝技術有助於簡化熱管理,使得IC更加堅固。為了最大程度地減少雜訊排放和EMI問題,所有供應商都根據驅動器來實施PWN和壓擺率控制等功能。


越來越多的系統相關功能整合到半導體模組中,以方便在電路中實施。這包括電流測量和整合的電流感測放大器(CSA),以及保護和診斷功能,例如通過SPI介面導入資料,以便更輕鬆地進行狀態檢測和壽命終止估算,例如意法半導體的L9907元件。另外像是自動重啟和閉鎖關斷等功能,還能進行測試並在發生錯誤後關斷重啟。供應商還提供了諸如英飛凌的工具箱之類的模擬工具,以協助開發人員進行設計。


針對不同要求的不同整合級別

根據要求,可以選擇具有不同整合度的晶片產品(請參見圖二)。



圖二 : 根據整合度水準,這些IC元件可以滿足不同的要求。
圖二 : 根據整合度水準,這些IC元件可以滿足不同的要求。

在分立設計中,每個電路元件都位於PCB上,這通常是最便宜的選擇,但它需要足夠的空間並且會導致更高的環境溫度。為了盡可能降低空間需求,Diodes提供了多種採用單一封裝的雙MOSFET(N型)和互補式MOSFET(N型和P型)元件。在分立驅動器方面,意法半導體的L9907和英飛凌的TLE9180是一流的產品,它們可以與各種電氣系統電壓共用,因此也適用於卡車領域的小型控制應用。


對於中等整合度應用,一些元件已經結合到模組中。其中可能包含MOSFET和相關的驅動器,例如Rohm的BD63035EFV-M或Bosch AE的CJ260。另一方面,英飛凌在其TLE956x模組中將系統基礎晶片(SBC)與驅動程式結合在一起。中等整合度產品在空間和成本限制之間提供了很好的折衷方案,它需要的開發工作最少,並且目前是實現電路保護的最佳方法。但是,如果空間非常有限,並且也很難實現PCB冷卻,則建議向整合再邁進一步。


高整合度方案將微控制器與MOSFET驅動器以及SBC功能整合在單一封裝中。但是這種方案通常非常不靈活,因為進行調整的唯一方法是觸發MOSFET。英飛凌提供這種高度整合的元件,名稱為E-Power IC(TLE98xy)。英飛凌針對具有半橋、全橋或B6橋接要求的應用提供了多種IC型款,以彌補靈活性的不足。


TDK-Micronas的HVC4223嵌入式馬達控制器代表了最高的整合度,它在單個IC中將所有四個組件(微控制器、SBC、閘極驅動器和MOSFET)結合在一起,但這也意味著它需要完全滿足應用的要求。


中、高整合度模組的優勢是整合了診斷功能,通常包括:


‧OC / UC –過電流/欠電流保護


‧OT –過熱保護


‧OL –空載保護


‧SC/SCG –短路/對地短路保護


‧LD –負載突降保護


‧交叉傳導保護


‧反極性保護(通常經由外部MOSFET)


現在廠商還提供具有保護和診斷功能的分立MOSFET驅動器,例如過電流和過熱保護,然而通常需要附加的分立元件,例如PTC熱敏電阻(PTC:正溫度係數)。


保護和診斷功能目前已成為電子產品開發人員和OEM廠商的重要考慮因素,因為它們可以協助輕鬆監控電路。因此,它們也是發展完全自主的自我監控車輛的重要一步。


(本文作者Bernd Wondratschek為儒卓力(Rutronik)公司ABU現場應用工程師)


**刊頭圖(source:Valiente Mott)


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