工業(yè)和汽車用的電機控制動向

Nicole?Navinsky? （德州儀器（TI）馬達驅動業(yè)務線市場經理） 

方? 舟? （德州儀器（TI）馬達驅動與電機控制相關應用與產品業(yè)務開發(fā)經理）

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

關鍵詞：電機；控制；三相無刷；步進電機；集成

1  電機的應用動向 

不同的電機使用場景對電機控制系統發(fā)展的要求不盡相同。 

1）在工業(yè)電機應用領域中，包括變頻器、伺服 和機器人等。這些工業(yè)領域中電機控制系統對電機的運行效率、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系統需求讓電機控制系統不僅僅是一個執(zhí)行單元，還需要承擔更多的監(jiān)控、信息采集、運行狀態(tài)監(jiān)控功能。通過工業(yè)以太網，將終端生產指令在電機控制單元快速執(zhí)行，生產過程無縫同步、多軸協同。同時在這個過程中，可以收集大量的數據，以優(yōu)化生產流程，實時監(jiān)控電機狀態(tài)進行可預測性診斷與防護。 

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，已經在電動工具、機器人、風扇等應用中逐步開始替換傳統的直流電機，市場占有率越來越高。傳統的三相無刷和步進電機方案需要使用主控MCU、分立驅動和功率Si MOSFET分立方案，尺寸大而且設計難度較高。目前主流全集成SoC方案包含電機控制算法、驅動和功率器件，可以幫助客戶快速實現量產，并且使客戶更專注在產品功能的打磨，而節(jié)省客戶花費在電機控制系統的開發(fā)時間。 

3）在汽車領域，有刷電機驅動器也展現出令人興奮的發(fā)展。腰部支撐、座椅高度調節(jié)和座椅冷卻/加熱曾被認為是豪華功能，現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計的方案就包含10個以上的電機驅動器。 

在傳統方案中，汽車制造商使用大型繼電器來驅動有刷電機，現在許多制造商正轉向全集成電機驅動方案，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豐富的產品線正好能夠提供電機控制方案所有關鍵應用的核心，包括主控DSP方案、驅動器、IGBT和 SiC驅動器、電流隔離采樣、隔離器、全集成三相電機 驅動器、GaN功率管等。 

具體地，作為電機控制的核心，TI C2000系列產品持續(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，數據顯示^[1]在2019年，傳統的工業(yè)現場總線的節(jié)點數第一次出現了下 降，工業(yè)以太網成長逐漸超過傳統RS485和CAN等工業(yè)現場總線。TI C2000 最新F2838系列產品中， 第一次在內部集成工業(yè)以太網協議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動器設計。另外TI Sitara 產品線同時也在積極布局多總線協議，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計挑戰(zhàn)，包括發(fā)熱、EMI和穩(wěn)定性。業(yè)界領先的開發(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 產品LMG3410集成GaN功率管和驅動方案，幫助客戶克服GaN高頻驅動設計的難關。最新一代的驅動芯片UCC2351x和 UCC2171x系列產品，將驅動芯片工作環(huán)境溫度推高到120 ℃以上，最大的驅動電流達到10 A。 最新隔離采樣方案AMC3301在一個芯片中實現隔離 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。 

在步進電機控制領域，TI的步進電機驅動器集成先進的智能調整技術，它可以自動調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的智能調整技術，而且它還具有失速檢測功能。在電動車智能前照燈系統中，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生的噪聲。 

1）工業(yè)電機控制系統方案

在方案設計過程中，提供單一芯片遠遠不夠，當用戶需要搭一個系統時，如果完全從零開始進行系統方案設計，硬件設計和軟件設計會比較困難。TI還針對馬達控制系統應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?？蛻艟涂梢韵翊罘e木一樣模擬出一個系統，從而大幅降低原型機的開發(fā)成本。比如在TI電機控制系統解決方案網站上，可以看到專門為高穩(wěn)定性設計的絕對值編碼器方案TIDA-01401，為三相逆變器設計1.25kW GaN功率級方案等。

工業(yè)電機控制系統設計方案：

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（低電壓支持和最低功耗是關鍵）到高功率系統（需要帶外部FET的柵極驅動器來處理電流）。直流馬達和步進馬達驅動具有多種功能，如超低睡眠功率模式、小封裝、短路或開路診斷、智能柵極驅動、集成電流感測和內置電流傳感放大器。

得益于諸如智能柵極驅動、集成電機控制、集成FET和功能安全設計封裝等技術， BLDC電機驅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)、個人電子和汽車應用。我們的三相無刷BLDC電機驅動器組合包括DRV8304（最大40V）、DRV8323（最大60V）和DRV8353（最大100V），這些驅動器能夠在各種工業(yè)應用中實現更小、成本更低、可靠性更高的設計，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)網絡市場份額報告[R/OL].國際工業(yè)自 動化網, (2019-5-10), http://mp.ofweek.com/gongkong/ a945683822026. 

[2] TI工業(yè)電機控制系統設計方案[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。