工業(yè)和汽車用的電機控制動向

Nicole?Navinsky? （德州儀器（TI）馬達驅(qū)動業(yè)務(wù)線市場經(jīng)理） 

方? 舟? （德州儀器（TI）馬達驅(qū)動與電機控制相關(guān)應(yīng)用與產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理）

摘? 要：介紹了工業(yè)、三相無刷和步進電機、汽車領(lǐng)域電機的應(yīng)用動向，及TI的新芯片產(chǎn)品及解決方案。 

關(guān)鍵詞：電機；控制；三相無刷；步進電機；集成

1  電機的應(yīng)用動向 

不同的電機使用場景對電機控制系統(tǒng)發(fā)展的要求不盡相同。 

1）在工業(yè)電機應(yīng)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(tǒng)對電機的運行效率、運動控制速 度、精度、可靠性、功率密度和智能化要求會越來越高。工業(yè)4.0系統(tǒng)需求讓電機控制系統(tǒng)不僅僅是一個執(zhí)行單元，還需要承擔(dān)更多的監(jiān)控、信息采集、運行狀態(tài)監(jiān)控功能。通過工業(yè)以太網(wǎng)，將終端生產(chǎn)指令在電機控制單元快速執(zhí)行，生產(chǎn)過程無縫同步、多軸協(xié)同。同時在這個過程中，可以收集大量的數(shù)據(jù)，以優(yōu)化生產(chǎn)流程，實時監(jiān)控電機狀態(tài)進行可預(yù)測性診斷與防護。 

2）三相無刷和步進電機通常用于紡織、家電、 打印機、3D打印、電動滑板等應(yīng)用場景。更小、更安靜、更可靠是主要發(fā)展趨勢。三相無刷電機提供更快的反饋速度、更高的效率、更長的使用壽命、更低的噪聲，已經(jīng)在電動工具、機器人、風(fēng)扇等應(yīng)用中逐步開始替換傳統(tǒng)的直流電機，市場占有率越來越高。傳統(tǒng)的三相無刷和步進電機方案需要使用主控MCU、分立驅(qū)動和功率Si MOSFET分立方案，尺寸大而且設(shè)計難度較高。目前主流全集成SoC方案包含電機控制算法、驅(qū)動和功率器件，可以幫助客戶快速實現(xiàn)量產(chǎn)，并且使客戶更專注在產(chǎn)品功能的打磨，而節(jié)省客戶花費在電機控制系統(tǒng)的開發(fā)時間。 

3）在汽車領(lǐng)域，有刷電機驅(qū)動器也展現(xiàn)出令人興奮的發(fā)展。腰部支撐、座椅高度調(diào)節(jié)和座椅冷卻/加熱曾被認為是豪華功能，現(xiàn)在也逐漸進入到主流車型中。 如今，僅僅是為駕駛員和乘客的前排座椅移動和舒適性而設(shè)計的方案就包含10個以上的電機驅(qū)動器。 

在傳統(tǒng)方案中，汽車制造商使用大型繼電器來驅(qū)動有刷電機，現(xiàn)在許多制造商正轉(zhuǎn)向全集成電機驅(qū)動方案，最顯著的優(yōu)點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，車窗開始具有高級功能，包括速度控制和防夾功能。

2  TI的芯片動向 及解決方案

TI豐富的產(chǎn)品線正好能夠提供電機控制方案所有關(guān)鍵應(yīng)用的核心，包括主控DSP方案、驅(qū)動器、IGBT和 SiC驅(qū)動器、電流隔離采樣、隔離器、全集成三相電機 驅(qū)動器、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(xù)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(shù)據(jù)顯示^[1]在2019年，傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線的節(jié)點數(shù)第一次出現(xiàn)了下 降，工業(yè)以太網(wǎng)成長逐漸超過傳統(tǒng)RS485和CAN等工業(yè)現(xiàn)場總線。TI C2000 最新F2838系列產(chǎn)品中， 第一次在內(nèi)部集成工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Ethercat以滿足工業(yè)4.0對通信帶寬日益增長的要求，能夠使用單芯片完成總線型變頻器與伺服驅(qū)動器設(shè)計。另外TI Sitara 產(chǎn)品線同時也在積極布局多總線協(xié)議，例如Profinet、 EthernetIP、CC-link等。 

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

在步進電機控制領(lǐng)域，TI的步進電機驅(qū)動器集成先進的智能調(diào)整技術(shù)，它可以自動調(diào)整步進電機電流衰減模式，降低噪音，同時提高效率，最高可降低10 ℃電機運行溫度。最新的適用于汽車行業(yè)的步進電機 DRV8889-Q1，不僅包含TI的智能調(diào)整技術(shù)，而且它還具有失速檢測功能。在電動車智能前照燈系統(tǒng)中，失速 檢測算法可以檢測到電機何時到達端點或撞上物體。這兩個功能都將幫助工程師顯著降低車燈由一個端點運行到另一端終點產(chǎn)生的噪聲。 

1）工業(yè)電機控制系統(tǒng)方案

在方案設(shè)計過程中，提供單一芯片遠遠不夠，當用戶需要搭一個系統(tǒng)時，如果完全從零開始進行系統(tǒng)方案設(shè)計，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計會比較困難。TI還針對馬達控制系統(tǒng)應(yīng)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，線性電機，步進電機，三相無刷電機，編碼器等。客戶就可以像搭積木一樣模擬出一個系統(tǒng)，從而大幅降低原型機的開發(fā)成本。比如在TI電機控制系統(tǒng)解決方案網(wǎng)站上，可以看到專門為高穩(wěn)定性設(shè)計的絕對值編碼器方案TIDA-01401，為三相逆變器設(shè)計1.25kW GaN功率級方案等。

工業(yè)電機控制系統(tǒng)設(shè)計方案：

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

2）直流，步進與三相無刷馬達控制方案

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

得益于諸如智能柵極驅(qū)動、集成電機控制、集成FET和功能安全設(shè)計封裝等技術(shù)， BLDC電機驅(qū)動器能夠最大限度地提高三相無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)、個人電子和汽車應(yīng)用。我們的三相無刷BLDC電機驅(qū)動器組合包括DRV8304（最大40V）、DRV8323（最大60V）和DRV8353（最大100V），這些驅(qū)動器能夠在各種工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)更小、成本更低、可靠性更高的設(shè)計，如電動工具、無人機和機器人。

直流/步進/三相無刷電機控制方案：

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)市場份額報告[R/OL].國際工業(yè)自 動化網(wǎng), (2019-5-10), http://mp.ofweek.com/gongkong/ a945683822026. 

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

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

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