車載電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)趨勢(shì)

1 前言
     近年來(lái)，環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。在這種背景下，汽車的 油耗法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)苛，以怠速停止車輛為首，混合動(dòng)力 汽車、電動(dòng)汽車的開發(fā)進(jìn)程加速，并開始普及。與此同時(shí)， 傳統(tǒng)的油壓控制（引擎動(dòng)力）機(jī)構(gòu)開始被電機(jī)控制機(jī)構(gòu)取 代。同時(shí)，由于車輛的輕量化、零部件的小型化要求日益高 漲，對(duì)于電機(jī)的需求也發(fā)生了變化，從以往的DC電機(jī)轉(zhuǎn)變 為壽命長(zhǎng)、可高效驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷電機(jī)。不僅如此，隨著這些新 型車輛的靜音性能提高，對(duì)行駛時(shí)以及停車時(shí)的車內(nèi)空間的 靜音性、舒適性的要求也越來(lái)越高。
為了滿足這些要求，需要如下電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
①   實(shí)現(xiàn)靜音化的正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)；
②   實(shí)現(xiàn)高效化的進(jìn)角控制技術(shù)；
③   實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(yīng)用電路圖
2 正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)
車載三相無(wú)刷預(yù)驅(qū)動(dòng)IC“BD16805”（參考圖1應(yīng)用電 路圖）已在日本的混合動(dòng)力汽車的的電池冷卻風(fēng)扇和空調(diào)鼓 風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的電機(jī)中被廣泛采用。作為車載領(lǐng)域用的產(chǎn)品，該 產(chǎn)品采用了業(yè)界首創(chuàng)的線性正弦波驅(qū)動(dòng)(180°通電)，實(shí)現(xiàn) 了電機(jī)的靜音化；同時(shí)，還內(nèi)置進(jìn)角控制電路，非常有助于 汽車的高效化與低功耗化。
耐壓為最適合車載領(lǐng)域的60V， 輸出端內(nèi)置充電泵電
路，可以驅(qū)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(tǒng)上，空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)多采用DC電機(jī)和120°驅(qū)動(dòng) 的無(wú)刷電機(jī)。但是，這些電機(jī)存在打火噪音以及因電流急劇 變化時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化導(dǎo)致的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)不平衡而產(chǎn)生的噪音問 題。使這種電機(jī)的線圈電流接近正弦波驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的 靜音化和低振動(dòng)化（參考圖2）。另外，使磁鐵不要磁飽和
（ 梯形齒著磁） 而進(jìn)行接近正 弦波的著磁， 也是電機(jī)機(jī)械設(shè) 計(jì)過程中的注意要點(diǎn)?！?br />
3 進(jìn)角控制技術(shù)
為了更高效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 保持產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的位置來(lái)創(chuàng)建 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是非常重要的，也就是 說， 要在磁鐵的磁場(chǎng)和線圈電 流產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直的位置進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)。因此，需要配合感應(yīng)電壓的 相位和線圈電流的相位。

圖2   120°通電與180°通電驅(qū)動(dòng)電流波形的區(qū)別

圖3   進(jìn)角度控制原理  

圖4   輸出電流比較
隨著轉(zhuǎn)速增加，受電感影響，線圈電流的相位滯后于 感應(yīng)電壓（參考圖3右圖）。因此，即使在相同時(shí)間流過電 流，也會(huì)存在所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩降低、效率下降問題。
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(duì)于感應(yīng)電壓，驅(qū)動(dòng)電壓需要在相位上提前導(dǎo) 通。通過進(jìn)角控制，使線圈電流配合電機(jī)的感應(yīng)電壓相位， 在最佳的相位高效率地產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。這樣，U、V、W 相的合成轉(zhuǎn)矩再加上正弦波驅(qū)動(dòng)可變得平穩(wěn)。利用這些技 術(shù)，可避免轉(zhuǎn)矩變動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)靜音化、低振動(dòng)化。另外，此 車載三相無(wú)刷預(yù)驅(qū)動(dòng)IC“BD16805”從啟動(dòng)時(shí)即可進(jìn)行正弦 波驅(qū)動(dòng)，因此，無(wú)論在ON－OFF反復(fù)較多的電機(jī)應(yīng)用中， 還是在振動(dòng)較大的啟動(dòng)時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)靜音化。
在圖4中，比較了有無(wú)進(jìn)角控制的電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出電 流。由圖中可知，尤其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電流降低30%以上， 實(shí)現(xiàn)了高效驅(qū)動(dòng)。 該進(jìn)角控制的調(diào)整通過
VDEG引腳進(jìn)行。通過調(diào)整VREG引腳的施加電壓
（0V-2.5V之間），可在0-30°的范圍內(nèi)設(shè)定進(jìn)角角 度。將電機(jī)設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)過程中， 電機(jī)電流減少，通過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(nèi)置霍爾元件的電機(jī)驅(qū)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(jī)結(jié)構(gòu)上存在問題時(shí)，有些電機(jī)更 適合無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)。油泵和水泵就是這類情況。由 于轉(zhuǎn)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面向這類車載泵領(lǐng)域，開發(fā)出無(wú)傳感器
方式150°驅(qū)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該IC中內(nèi)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(hù)功能（過電壓、過電流、加熱、堵轉(zhuǎn)保護(hù)）。
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(jī)狀態(tài)（停 止、正向空轉(zhuǎn)、反向空轉(zhuǎn)），進(jìn)行使電機(jī)停動(dòng)的驅(qū) 動(dòng)對(duì)應(yīng)。 然后， 通過同步驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制相位超前， 在啟動(dòng)時(shí)8次檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)后，轉(zhuǎn)換為120°通電硬 開關(guān)驅(qū)動(dòng)模式，進(jìn)而392次檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)后，變?yōu)?br />150°通電模式。另外，還可根據(jù)電機(jī)，設(shè)定啟動(dòng) 時(shí)的相位超前驅(qū)動(dòng)周期和軟起動(dòng)的時(shí)間。
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5 結(jié)語(yǔ)
汽車的電動(dòng)化和高性能化發(fā)展迅速，預(yù)計(jì)所使用的電 機(jī)數(shù)量也將持續(xù)增加?！?br />ROHM以“ROHM讓所有的電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)！”為口號(hào)，
產(chǎn)品開發(fā)重心從以往的消費(fèi)電子領(lǐng)域向家電、工業(yè)設(shè)備、車 載領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。ROHM的產(chǎn)品不僅具有此次介紹的“正弦波驅(qū) 動(dòng)”、“進(jìn)角控制”、“無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)”技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還擁有 融入“高耐壓”、“大電流”技術(shù)優(yōu)勢(shì)的SiC和IPM產(chǎn)品。 ROHM將繼續(xù)為低功耗的汽車制造貢獻(xiàn)力量。