車載電機(jī)驅(qū)動的技術(shù)趨勢

1 前言
     近年來，環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。在這種背景下，汽車的 油耗法規(guī)要求越來越嚴(yán)苛，以怠速停止車輛為首，混合動力 汽車、電動汽車的開發(fā)進(jìn)程加速，并開始普及。與此同時， 傳統(tǒng)的油壓控制（引擎動力）機(jī)構(gòu)開始被電機(jī)控制機(jī)構(gòu)取 代。同時，由于車輛的輕量化、零部件的小型化要求日益高 漲，對于電機(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、可高效驅(qū)動的無刷電機(jī)。不僅如此，隨著這些新 型車輛的靜音性能提高，對行駛時以及停車時的車內(nèi)空間的 靜音性、舒適性的要求也越來越高。
為了滿足這些要求，需要如下電機(jī)驅(qū)動技術(shù)。
①   實現(xiàn)靜音化的正弦波驅(qū)動技術(shù)；
②   實現(xiàn)高效化的進(jìn)角控制技術(shù)；
③   實現(xiàn)電機(jī)優(yōu)化及小型化的無傳感器技術(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)動技術(shù)
車載三相無刷預(yù)驅(qū)動IC“BD16805”（參考圖1應(yīng)用電 路圖）已在日本的混合動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(180°通電)，實現(xiàn) 了電機(jī)的靜音化；同時，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 的無刷電機(jī)。但是，這些電機(jī)存在打火噪音以及因電流急劇 變化時的轉(zhuǎn)矩變化導(dǎo)致的振動和旋轉(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，可實現(xiàn)電機(jī)的 靜音化和低振動化（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) 計過程中的注意要點?！?br />
3 進(jìn)角控制技術(shù)
為了更高效地驅(qū)動電機(jī)， 保持產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的位置來創(chuàng)建 旋轉(zhuǎn)磁場是非常重要的，也就是 說， 要在磁鐵的磁場和線圈電 流產(chǎn)生的磁場垂直的位置進(jìn)行驅(qū) 動。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，即使在相同時間流過電 流，也會存在所產(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，相對于感應(yīng)電壓，驅(qū)動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)動可變得平穩(wěn)。利用這些技 術(shù)，可避免轉(zhuǎn)矩變動，并實現(xiàn)靜音化、低振動化。另外，此 車載三相無刷預(yù)驅(qū)動IC“BD16805”從啟動時即可進(jìn)行正弦 波驅(qū)動，因此，無論在ON－OFF反復(fù)較多的電機(jī)應(yīng)用中， 還是在振動較大的啟動時，均可實現(xiàn)靜音化。
在圖4中，比較了有無進(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，輸出電流降低30%以上， 實現(xiàn)了高效驅(qū)動。 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 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，或電機(jī)結(jié)構(gòu)上存在問題時，有些電機(jī)更 適合無傳感器驅(qū)動。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。
ROHM面向這類車載泵領(lǐng)域，開發(fā)出無傳感器
方式150°驅(qū)動的電機(jī)驅(qū)動器。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)）。
在無傳感器技術(shù)中， 啟動的可靠性是非常重 要的。因此，該IC首先在啟動時判斷電機(jī)狀態(tài)（停 止、正向空轉(zhuǎn)、反向空轉(zhuǎn)），進(jìn)行使電機(jī)停動的驅(qū) 動對應(yīng)。 然后， 通過同步驅(qū)動的強(qiáng)制相位超前， 在啟動時8次檢測反電動勢后，轉(zhuǎn)換為120°通電硬 開關(guān)驅(qū)動模式，進(jìn)而392次檢測反電動勢后，變?yōu)?br />150°通電模式。另外，還可根據(jù)電機(jī)，設(shè)定啟動 時的相位超前驅(qū)動周期和軟起動的時間。
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ROHM 半導(dǎo)體（ 深圳） 有限公司設(shè)計中心。

5 結(jié)語
汽車的電動化和高性能化發(fā)展迅速，預(yù)計所使用的電 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！”為口號，
產(chǎn)品開發(fā)重心從以往的消費電子領(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”、“進(jìn)角控制”、“無傳感器驅(qū)動”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(xù)為低功耗的汽車制造貢獻(xiàn)力量。