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          EEPW首頁(yè) > 工控自動(dòng)化 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)給汽車(chē)帶來(lái)的提升

          智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)給汽車(chē)帶來(lái)的提升

          作者: 時(shí)間:2023-05-17 來(lái)源: 收藏

          隨著汽車(chē)系統(tǒng)中傳統(tǒng)的機(jī)械化設(shè)計(jì)被電子化設(shè)計(jì)逐漸取代,電機(jī)在汽車(chē)電子化系統(tǒng)中扮演的角色越來(lái)越重要。例如在汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)中,由傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)逐步發(fā)展為現(xiàn)在的有刷同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī),真正的實(shí)現(xiàn)了新能源車(chē)的動(dòng)力革命;傳統(tǒng)的機(jī)械式汽車(chē)底盤(pán)也逐步發(fā)展成智能電子底盤(pán),用來(lái)配合自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202305/446655.htm

          隨著汽車(chē)系統(tǒng)中傳統(tǒng)的機(jī)械化設(shè)計(jì)被電子化設(shè)計(jì)逐漸取代,電機(jī)在汽車(chē)電子化系統(tǒng)中扮演的角色越來(lái)越重要。例如在汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)中,由傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)逐步發(fā)展為現(xiàn)在的有刷同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī),真正的實(shí)現(xiàn)了新能源車(chē)的動(dòng)力革命;傳統(tǒng)的機(jī)械式汽車(chē)底盤(pán)也逐步發(fā)展成智能電子底盤(pán),用來(lái)配合自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)。此外,車(chē)身上還有許多電機(jī)用來(lái)增加駕乘人員的舒適性和安全性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),以往普通的燃油車(chē)上平均的電機(jī)數(shù)量在20-40個(gè)左右,而在新能源汽車(chē)上這一數(shù)字增長(zhǎng)到100-150個(gè),在高端的新能源汽車(chē)車(chē)型上電機(jī)數(shù)量會(huì)更高,甚至呈現(xiàn)幾倍數(shù)的增加。伴隨著汽車(chē)電氣化和智能化的迅猛發(fā)展,車(chē)用電機(jī)在未來(lái)都會(huì)有巨大的增長(zhǎng)空間。

          汽車(chē)上的電機(jī)有哪些種類(lèi)區(qū)分,都有哪些特點(diǎn),每種電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式又是如何?本文詳細(xì)為您解讀。

          汽車(chē)中主要的電機(jī)類(lèi)型汽車(chē)上的電機(jī)除了大功率的交流電機(jī)以外,從幾W到幾百W的直流電機(jī)是其中主要的角色,在汽車(chē)電機(jī)中占有很高的比例。直流電機(jī)一般分為兩相直流有刷電機(jī)、三相直流無(wú)刷電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)。直流有刷電機(jī)采用機(jī)械換向原理,通過(guò)換向器和電刷的斷續(xù)接觸來(lái)形成交流變換的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于換向器和電刷產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦?xí)?duì)碳刷造成損耗,因此直流有刷電機(jī)的壽命相較于直流無(wú)刷電機(jī)會(huì)短很多。此外,直流有刷電機(jī)在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電火花,且產(chǎn)生的電磁波也會(huì)干擾到其他設(shè)備。直流有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)也很明顯,主要的是控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單,利用單通道高邊或低邊驅(qū)動(dòng)、半橋驅(qū)動(dòng)或者全橋驅(qū)動(dòng),配合PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速。直流有刷電機(jī)有并激、串激和復(fù)激等不同的種類(lèi),串激式直流有刷電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)比較快速的啟動(dòng)大扭矩,并激式直流有刷電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較好的速度控制。直流有刷電機(jī)主要應(yīng)用在相對(duì)轉(zhuǎn)速比較低、力矩比較大的場(chǎng)景,例如車(chē)窗、車(chē)門(mén)、尾門(mén)、電動(dòng)座椅、鎖扣、駐車(chē)系統(tǒng)等。直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)的工作原理主要是通過(guò)電子換向來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電機(jī)本身沒(méi)有電刷的存在,它的壽命遠(yuǎn)高于直流有刷電機(jī),同時(shí)由于沒(méi)有電刷的摩擦阻力,所以它具有更高的轉(zhuǎn)換效率和低噪聲的優(yōu)勢(shì),另外無(wú)刷電機(jī)可以配合編碼器實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的速度和位置環(huán)的控制。但是無(wú)刷直流電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)電路和算法也相應(yīng)的更加復(fù)雜,因此成本會(huì)高于直流有刷電機(jī)。在汽車(chē)上,無(wú)刷直流電機(jī)一般應(yīng)用轉(zhuǎn)速比較高或者對(duì)轉(zhuǎn)速控制要求比較精準(zhǔn)的場(chǎng)合,例如EPS、水泵、風(fēng)扇、空調(diào)、雨刮器等。第三類(lèi)比較重要的電機(jī)類(lèi)型是步進(jìn)電機(jī),由于其特性和直流有刷電機(jī)比較類(lèi)似,在低速情況有較大的力矩,并能夠通過(guò)脈沖數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的開(kāi)環(huán)角度控制,步進(jìn)電機(jī)一般被看作精度較高的直流有刷電機(jī)。在汽車(chē)上步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用在低轉(zhuǎn)速、高精度的場(chǎng)合,比如出風(fēng)口扇葉,車(chē)燈調(diào)節(jié)或儀表指針等。

          智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)給汽車(chē)帶來(lái)的提升

          綜上所述,一輛汽車(chē)上有多種類(lèi)型的電機(jī)用來(lái)滿足不同場(chǎng)景的需求,直流有刷電機(jī)以其較高的性價(jià)比以及能夠廣泛滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)景,成為汽車(chē)上比較常用的一類(lèi)電機(jī)。接下來(lái),詳細(xì)介紹汽車(chē)中使用直流電機(jī)的主要場(chǎng)景。

          汽車(chē)中使用直流電機(jī)的主要場(chǎng)景在汽車(chē)上使用直流電機(jī)的場(chǎng)合主要有智能底盤(pán)和車(chē)身控制兩個(gè)部分。智能底盤(pán)中的主要部件都是使用直流電機(jī),包括有刷和無(wú)刷,使用的電機(jī)功率等級(jí)不同,所涉及的驅(qū)動(dòng)方式也有所區(qū)別。

          空氣架中一般是通過(guò)距離傳感器檢測(cè)信號(hào)來(lái)判斷車(chē)身高度的變化,再通過(guò)有刷電機(jī)壓縮或拉長(zhǎng)空氣彈簧,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)底盤(pán)的降低和升??諝鈶壹苤惺褂玫闹绷麟姍C(jī)功率一般在20A以上,利用H橋預(yù)驅(qū)加上分立MOS管的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。由于有刷電機(jī)的慣性力矩會(huì)隨著輸出電機(jī)功率的增加而增大,其轉(zhuǎn)向操作靈敏度隨之變差,因此在電子助力系統(tǒng)(EPS)中使用的電機(jī)逐步從直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)向無(wú)刷電機(jī),以此來(lái)解決慣性力矩的問(wèn)題。電機(jī)的額定功率基本在30A以上,達(dá)到70A左右,并采用三相無(wú)刷預(yù)驅(qū)配合MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)。電子駐車(chē)取代了傳統(tǒng)的機(jī)械手剎式系統(tǒng),目前在汽車(chē)上已經(jīng)非常普遍。在電子駐車(chē)系統(tǒng)中一般會(huì)有兩個(gè)直流有刷卡鉗電機(jī),電流一般在10A以上,17A居多。一般來(lái)說(shuō),額定電流在10A以上的MOS管難以封裝到芯片中,因此在這種應(yīng)用中大部分采用預(yù)驅(qū)外加MOS管的方式。電子換擋在中高端車(chē)型中比較常見(jiàn),其內(nèi)置一個(gè)換擋電機(jī)來(lái)配合變速箱的齒輪變速,一般使用10A以內(nèi)的無(wú)刷電機(jī),常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式為內(nèi)置MOS管H橋驅(qū)動(dòng)芯片。One Box系統(tǒng)中包括一個(gè)永磁同步電機(jī)和有刷卡鉗電機(jī),其中永磁同步電機(jī)的電流在40A左右,甚至超過(guò)100A??ㄣQ電機(jī)的電流一般在10A左右,采用三相預(yù)驅(qū)或H橋預(yù)驅(qū)外加MOS管組成驅(qū)動(dòng)方案來(lái)進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。車(chē)身控制也是直流電機(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)景,由于直流有刷電機(jī)本身的驅(qū)動(dòng)成本較為便宜,性能可以適應(yīng)大部分的應(yīng)用,因此在車(chē)身控制中直流有刷電機(jī)占比較高。

          作為電動(dòng)座椅的動(dòng)力源,汽車(chē)座椅的電機(jī)主要是永磁直流式電機(jī),額定電流一般都在10A以上,由于電動(dòng)座椅需要配備的電機(jī)數(shù)量較多,所以一般采用多通道預(yù)驅(qū)加MOS管的方式來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此外,配備通風(fēng)風(fēng)扇的電動(dòng)座椅所需的電機(jī),功率一般在10幾W到20幾W,通常采用一體式BLDC驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)門(mén)內(nèi)部包含門(mén)鎖、電吸合、車(chē)門(mén)以及車(chē)窗等部分,主要采用直流有刷電機(jī),驅(qū)動(dòng)方式通常為多通道預(yù)驅(qū)加上MOS管或者內(nèi)置MOS管的H橋驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電尾門(mén)包含左右撐桿、電吸合,同樣也是采用直流有刷電機(jī),使用預(yù)驅(qū)外加MOS管的驅(qū)動(dòng)方式。另外后視鏡、充電口、鎖扣等場(chǎng)景中采用的小電流電機(jī),因?yàn)楣β时容^小,主要使用內(nèi)置MOS管的H橋驅(qū)動(dòng)方案。

          直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

          電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式一直在演變,從過(guò)去的繼電器到現(xiàn)在帶診斷功能、帶保護(hù)的全集成芯片方案,可以實(shí)現(xiàn)更高的安全性且體積更小、靈活度更高。

          在傳統(tǒng)的繼電器驅(qū)動(dòng)方案中,由于采用機(jī)械式的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),在開(kāi)關(guān)的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生電火花,這也是汽車(chē)A類(lèi)安全事故所要去規(guī)避的。其次由于繼電器的開(kāi)啟和關(guān)斷速度是固定的,所以沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)有效快速的開(kāi)關(guān)速度控制。再者,繼電器是原邊通過(guò)電流去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān),一般需要幾十毫安的電流,這個(gè)是遠(yuǎn)高于驅(qū)動(dòng)MOS管1mA以內(nèi)的維持電流。另外,繼電器的體積比較大,如果是集中式域控制器方案,空間擺放也是一個(gè)問(wèn)題。  ,繼電器的功能比較單一,只是簡(jiǎn)單的一個(gè)開(kāi)動(dòng)和關(guān)斷的功能。電機(jī)感性負(fù)載容性負(fù)載需要做控壓和控流,如果采用繼電器的方式,外部還需要增加不少的其他芯片,來(lái)防止繼電器或者負(fù)載的損壞?;趥鹘y(tǒng)繼電器的各種問(wèn)題,其逐漸地被電子驅(qū)動(dòng)方式所取代。電子驅(qū)動(dòng)方式一方面可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn),速度可調(diào),還帶有比較簡(jiǎn)單的保護(hù)功能,例如回路上的過(guò)流保護(hù)。另外,高邊的驅(qū)動(dòng)方式從以前的自舉電容演變成現(xiàn)在類(lèi)似電荷泵的驅(qū)動(dòng)方式,這樣面積會(huì)更小,也可以做到有效的開(kāi)通。這種電子驅(qū)動(dòng)方式相較于繼電器可以大大減少體積,節(jié)省驅(qū)動(dòng)功耗,同時(shí)也帶有基本的保護(hù)功能,使用起來(lái)更加靈活。隨著芯片工藝的迭代,可以在單個(gè)晶圓上集成更多的功能。隨著把內(nèi)置的MOS管功率越做越大,一般來(lái)說(shuō)可以在一個(gè)芯片封裝里把上下管的內(nèi)阻做到100mΩ以內(nèi),甚至50mΩ以內(nèi),這樣電流可以做到10A到30A,熱阻也可以大大降低。因?yàn)樵谟蚩刂破骼?,需要將多個(gè)驅(qū)動(dòng)集成在一起,所以降低熱阻是非常重要的。另外,驅(qū)動(dòng)器集成了更多運(yùn)放、比較器等,因此驅(qū)動(dòng)器可以帶有更多的保護(hù),包括過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、反過(guò)溫等等,可以大大減低驅(qū)動(dòng)器本身以及外部負(fù)載損壞的機(jī)率,使用上更加靈活,通過(guò)SPI或I2C等不同配置來(lái)驅(qū)動(dòng)除電機(jī)之外的感性、容性或存儲(chǔ)性的負(fù)載。在部分高端的驅(qū)動(dòng)器里,甚至還可以有SPI診斷,把當(dāng)前出現(xiàn)的故障狀態(tài),通過(guò)寄存器進(jìn)行上報(bào),這樣可以實(shí)現(xiàn)更高的功能安全等級(jí)。在一些驅(qū)動(dòng)芯片里甚至還集成CAN 和LIN的總線,直接形成單芯片的集成方案。

          類(lèi)比直流有刷驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品

          類(lèi)比汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品目前有已經(jīng)量產(chǎn)的單通道驅(qū)動(dòng)DR70x以及正在開(kāi)發(fā)的DR7xx、DR8xx以及DR9xx等產(chǎn)品。DR70x系列產(chǎn)品包含五個(gè)型號(hào),半橋、全橋、帶SPI診斷以及純硬件模式,配合外部的MOS管可以實(shí)現(xiàn)從幾W到幾百W的功率驅(qū)動(dòng)。正在開(kāi)發(fā)的多通道直流有刷電機(jī)預(yù)驅(qū)DR718系列主要應(yīng)用于多電機(jī)的場(chǎng)合,同時(shí)也更符合域控制發(fā)展趨勢(shì)對(duì)集成多通道的單芯片驅(qū)動(dòng)方案的需求。內(nèi)置MOS管的直流有刷電機(jī)預(yù)驅(qū)DR8xx系列,電流可以做到10A,基于較高的集成度,DR8xx系列非常適合50w以內(nèi)的小電機(jī),并在散熱允許的情況下可以大大減少板子的面積。DR9xx系列產(chǎn)品內(nèi)部帶有三路模擬運(yùn)放來(lái)配合低電流采樣的閉環(huán)控制算法,適合用在EPS/One Box等使用無(wú)刷電機(jī)的場(chǎng)合。DR70x直流有刷系列產(chǎn)品主要有DR702Q、 DR703Q 和DR704Q三個(gè)型號(hào)。其中,DR702Q和DR703Q主要區(qū)別在于配置接口,DR702Q是硬件配置接口,這意味著DR702Q所有的功能配置都可以通過(guò)外圍電阻電容元器件進(jìn)行設(shè)定,這使得DR702Q控制簡(jiǎn)單并且占用MCU資源少。DR703Q則含有SPI接口,用于同MCU通訊。得益于SPI的靈活性,DR703Q不僅可以靈活進(jìn)行功能配置,還可以讀出所有狀態(tài)寄存器信息。DRV703Q的寄存器提供豐富的過(guò)壓和過(guò)流報(bào)警信息,方便系統(tǒng)獲得電機(jī)工作的實(shí)時(shí)狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)更高的功能安全等級(jí)。相較于DR703Q, DR704Q進(jìn)一步增加了過(guò)壓保護(hù)功能,離線負(fù)載檢測(cè)功能以及電流檢測(cè)共模點(diǎn)可配等檢測(cè)功能。目前DR70x系列產(chǎn)品均為車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品,滿足AEC-Q100,支持5.5V到45V的工作電壓,睡眠功耗可以達(dá)到3.3μA。另外,DR70x系列產(chǎn)品還支持驅(qū)動(dòng)電流的設(shè)置,來(lái)滿足MOS管的不同的開(kāi)關(guān)速度的需求。DR70x系列產(chǎn)品帶有電流檢測(cè)功能,通過(guò)檢測(cè)電機(jī)低邊電流,配合堵轉(zhuǎn)、剎車(chē)電流的限定。該產(chǎn)品支持豐富的保護(hù)功能,包括供電電壓的過(guò)壓、欠壓保護(hù)、Vgs門(mén)級(jí)鉗位以及對(duì)外部MOS的VDS退飽和保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等,對(duì)芯片本身和外部的MOS管都有綜合的保護(hù)機(jī)制。DR70x的封裝為QFN32小型封裝,配合不同功率等級(jí)的MOS管,可以驅(qū)動(dòng)不同功率等級(jí)的電機(jī),因此應(yīng)用非常廣泛,在智能底盤(pán)以及車(chē)身控制中的車(chē)窗、尾門(mén)、推拉門(mén)等系統(tǒng)中的電機(jī)都可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同時(shí),由于具有較高的靈活度,DR70x產(chǎn)品還可以實(shí)現(xiàn)高低邊驅(qū)動(dòng)功能。05

          DR703Q產(chǎn)品性能表現(xiàn)

          VM Pumping是電機(jī)驅(qū)動(dòng)中比較常見(jiàn)的現(xiàn)象,主要發(fā)生在電機(jī)突然降速或者剎車(chē)時(shí),此時(shí)VM上的電壓會(huì)突然升高,有可能燒壞驅(qū)動(dòng)芯片或MOS管。DR703Q采用高耐壓MOS管來(lái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì),其VM管腳直流耐壓可以達(dá)到55V。實(shí)際測(cè)試表明,DR703Q的VM瞬態(tài)可以耐受500ms,60V的脈沖,并且已經(jīng)通過(guò)ISO 7637-2 24V System pulse 5B測(cè)試。DR704Q產(chǎn)品中帶有VM偵測(cè)電路,當(dāng)VM管腳電壓超過(guò)36V時(shí),芯片會(huì)進(jìn)入閉鎖模式、自動(dòng)復(fù)位模式、報(bào)警模式以及完全關(guān)閉模式四種保護(hù)模式中的一種,具體進(jìn)入哪種模式由客戶根據(jù)使用需求來(lái)自行配置。電機(jī)在啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí),由于反向電動(dòng)勢(shì)約等于零,流過(guò)電機(jī)繞組的電流非常大,作為驅(qū)動(dòng)需要限制電流來(lái)保護(hù)電機(jī)和相關(guān)電路。DR703Q支持電流限流功能,能有效實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)及堵轉(zhuǎn)等場(chǎng)景下的限流保護(hù)。DR703Q對(duì)于外部MOS管的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電流可以分別獨(dú)立進(jìn)行電流設(shè)定,支持10mA-280mA八檔電流設(shè)定。能夠幫助用戶在更高的驅(qū)動(dòng)效率(化開(kāi)關(guān)損耗)和更好的EMI性能間進(jìn)行平衡,而無(wú)需更改硬件設(shè)置。

          DR70x應(yīng)用實(shí)例

          目前,DR70x已經(jīng)向主機(jī)廠商和Tier1客戶批量供貨,并實(shí)際應(yīng)用在EPB、電門(mén)模塊、電動(dòng)尾門(mén)、天窗以及電動(dòng)座椅等場(chǎng)景中。



          關(guān)鍵詞: 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

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