使用BLDC電機(jī)助力機(jī)械掃描激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)360度視場

我們都知道駕駛汽車時(shí)看清路面至關(guān)重要。而在實(shí)施自動(dòng)駕駛等技術(shù)時(shí)，對(duì)這點(diǎn)要求得更為嚴(yán)格。自動(dòng)駕駛汽車的“眼睛”被稱為光檢測和測距（激光雷達(dá)）技術(shù)，可提供汽車周圍環(huán)境的精確圖像。激光雷達(dá)使用光源和傳感器來檢測物體。

激光雷達(dá)系統(tǒng)的視場 (FOV) 決定了激光雷達(dá)能夠捕捉到的圖像的寬度，因此該視場對(duì)于自動(dòng)駕駛決策算法十分重要。擴(kuò)大FOV的方法有很多種，其中之一就是利用機(jī)械掃描，使用電機(jī)幫助實(shí)現(xiàn)360度FOV。無刷直流 (BLDC) 電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，且高效低噪，因此廣受歡迎。

 圖1展示了激光雷達(dá)模塊，圖2展示了配備激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛汽車。

圖1 激光雷達(dá)模塊

圖2 配備激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛汽車

配備機(jī)械掃描激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛汽車

典型的激光雷達(dá)模塊由光源和傳感器組成，可實(shí)現(xiàn)120度FOV。遺憾的是120度的視場對(duì)于自動(dòng)駕駛環(huán)境來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要實(shí)現(xiàn)360度全方位FOV，需要用一個(gè)由置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的光源和傳感器組成的機(jī)械掃描激光雷達(dá)將汽車周圍的信息傳給汽車的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以能讓光源和傳感器實(shí)現(xiàn)360度無縫掃描的速度旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確反饋圖像位置。鑒于平臺(tái)重量比較輕，可以使用約40W的電機(jī)。

BLDC電機(jī)非常適合這些旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，并且可以使用霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)換向。圖3顯示了機(jī)械掃描激光雷達(dá)的框圖。

圖3 機(jī)械掃描激光雷達(dá)框圖

如何驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)

有幾種方法可以驅(qū)動(dòng)約40W的BLDC電機(jī)。您可以搭配使用具有梯形換向算法的微控制器 (MCU) 以及集成三相BLDC柵極驅(qū)動(dòng)器和外部金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。如果您的設(shè)計(jì)需要應(yīng)用尺寸較小的電路板和功率較低的電機(jī)，您可以考慮將具有集成MOSFET的三相柵極驅(qū)動(dòng)器（如DRV8316）和具有換向算法的MCU以及三個(gè)用于位置反饋的霍爾效應(yīng)傳感器搭配使用。DRV8316集成了高側(cè)和低側(cè)相加導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RDS(on)) 為95mΩ的MOSFET，并提供全面的故障覆蓋范圍，以實(shí)現(xiàn)診斷目的。

也可以使用集成了控制算法的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（如MCT8316Z）來驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成了傳感器梯形控制，無需進(jìn)行電機(jī)控制軟件開發(fā)。MCT8316Z集成了MOSFET，該MOSFET高側(cè)和低側(cè)相加RDS(on)與DRV8316一樣，也是95mΩ。外部搭配內(nèi)務(wù)處理型MCU，可與MCT8316Z進(jìn)行通信以設(shè)置配置參數(shù)并提供簡單的旋轉(zhuǎn)命令（如速度和方向）。

MCT8316Z具有直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器，可為電路板上的內(nèi)務(wù)處理型MCU或其他電路提供電流，這種配置有助于為機(jī)械掃描激光雷達(dá)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器節(jié)省布板空間。DRV8316 和MCT8316Z的工作電壓均為4.5V至35V，非常適合汽車的12V電池應(yīng)用。借助8A峰值電機(jī)繞組電流支持，這些驅(qū)動(dòng)器可以在24V電源下實(shí)現(xiàn)高達(dá)70W的電機(jī)功率，足以驅(qū)動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。

 MCT8316Z提供串行外設(shè)接口 (SPI)，高度可配置，盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇使用硬件接口選項(xiàng)，而非SPI來配置常用設(shè)置。可通過SPI讀取的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器寄存器提供詳細(xì)的故障診斷結(jié)果，萬一旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中的電機(jī)出現(xiàn)問題，該結(jié)果可提供診斷幫助。圖4顯示了MCT8316Z的簡化使用示例。

圖4 MCT8316Z電機(jī)控制示例

配備機(jī)械掃描激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛汽車是汽車領(lǐng)域一次令人振奮的進(jìn)展。自動(dòng)駕駛汽車帶來的便利提高了乘駕體驗(yàn)，讓您渴望擁有這樣一輛汽車去州際公路旅行。