【導(dǎo)讀】隨著汽車系統(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)在汽車電子化系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要。例如在汽車的動(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)了新能源車的動(dòng)力革命；傳統(tǒng)的機(jī)械式汽車底盤也逐步發(fā)展成智能電子底盤，用來配合自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)。
隨著汽車系統(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)在汽車電子化系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要。例如在汽車的動(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)了新能源車的動(dòng)力革命；傳統(tǒng)的機(jī)械式汽車底盤也逐步發(fā)展成智能電子底盤，用來配合自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)。此外，車身上還有許多電機(jī)用來增加駕乘人員的舒適性和安全性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，以往普通的燃油車上平均的電機(jī)數(shù)量在20-40個(gè)左右，而在新能源汽車上這一數(shù)字增長到100-150個(gè)，在高端的新能源汽車車型上電機(jī)數(shù)量會(huì)更高，甚至呈現(xiàn)幾倍數(shù)的增加。伴隨著汽車電氣化和智能化的迅猛發(fā)展，車用電機(jī)在未來都會(huì)有巨大的增長空間。
汽車上的電機(jī)有哪些種類區(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。
汽車中主要的電機(jī)類型汽車上的電機(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，通過換向器和電刷的斷續(xù)接觸來形成交流變換的旋轉(zhuǎn)磁場。由于換向器和電刷產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦?xí)μ妓⒃斐蓳p耗，因此直流有刷電機(jī)的壽命相較于直流無刷電機(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)勢也很明顯，主要的是控制電路相對簡單，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，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)用在相對轉(zhuǎn)速比較低、力矩比較大的場景，例如車窗、車門、尾門、電動(dòng)座椅、鎖扣、駐車系統(tǒng)等。直流無刷電機(jī)（BLDC）的工作原理主要是通過電子換向來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橹绷鳠o刷電機(jī)本身沒有電刷的存在，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，另外無刷電機(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)。在汽車上，無刷直流電機(jī)一般應(yīng)用轉(zhuǎn)速比較高或者對轉(zhuǎn)速控制要求比較精準(zhǔn)的場合，例如EPS、水泵、風(fēng)扇、空調(diào)、雨刮器等。第三類比較重要的電機(jī)類型是步進(jìn)電機(jī)，由于其特性和直流有刷電機(jī)比較類似，在低速情況有較大的力矩，并能夠通過脈沖數(shù)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的開環(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)。在汽車上步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用在低轉(zhuǎn)速、高精度的場合，比如出風(fēng)口扇葉，車燈調(diào)節(jié)或儀表指針等。
綜上所述，一輛汽車上有多種類型的電機(jī)用來滿足不同場景的需求，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)用場景，成為汽車上比較常用的一類電機(jī)。接下來，詳細(xì)介紹汽車中使用直流電機(jī)的主要場景。
汽車中使用直流電機(jī)的主要場景在汽車上使用直流電機(jī)的場合主要有智能底盤和車身控制兩個(gè)部分。智能底盤中的主要部件都是使用直流電機(jī)，包括有刷和無刷，使用的電機(jī)功率等級不同，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距離傳感器檢測信號來判斷車身高度的變化，再通過有刷電機(jī)壓縮或拉長空氣彈簧，以此來實(shí)現(xiàn)汽車底盤的降低和升。空氣懸架中使用的直流電機(jī)功率一般在20A以上，利用H橋預(yù)驅(qū)加上分立MOS管的方案來實(shí)現(xiàn)對電機(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)向無刷電機(jī)，以此來解決慣性力矩的問題。電機(jī)的額定功率基本在30A以上，達(dá)到70A左右，并采用三相無刷預(yù)驅(qū)配合MOS管來實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電子駐車取代了傳統(tǒng)的機(jī)械手剎式系統(tǒng)，目前在汽車上已經(jīng)非常普遍。在電子駐車系統(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。一般來說，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型中比較常見，其內(nèi)置一個(gè)換擋電機(jī)來配合變速箱的齒輪變速，一般使用10A以內(nèi)的無刷電機(jī)，常見的驅(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100A。卡鉗電機(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)方案來進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。車身控制也是直流電機(jī)的主要應(yīng)用場景，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)芯片來驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)門內(nèi)部包含門鎖、電吸合、車門以及車窗等部分，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)來實(shí)現(xiàn)。電尾門包含左右撐桿、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)開關(guān)，在開關(guān)的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生電火花，這也是汽車A類安全事故所要去規(guī)避的。其次由于繼電器的開啟和關(guān)斷速度是固定的，所以沒有辦法實(shí)現(xiàn)有效快速的開關(guān)速度控制。再者，繼電器是原邊通過電流去驅(qū)動(dòng)開關(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)問題。 ，繼電器的功能比較單一，只是簡單的一個(gè)開動(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，來防止繼電器或者負(fù)載的損壞。基于傳統(tǒng)繼電器的各種問題，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)，還帶有比較簡單的保護(hù)功能，例如回路上的過流保護(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，一般來說可以在一個(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)樵谟蚩刂破骼铮枰獙⒍鄠€(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)，包括過流、過壓、欠壓、反過溫等等，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SPI或I2C等不同配置來驅(qū)動(dòng)除電機(jī)之外的感性、容性或存儲性的負(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。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。
類比直流有刷驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品
類比汽車級電機(jī)驅(qū)動(dòng)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，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)的場合，同時(shí)也更符合域控制發(fā)展趨勢對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等使用無刷電機(jī)的場合。DR70x直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系列產(chǎn)品主要有DR702Q、 DR703Q 和DR704Q三個(gè)型號。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外圍電阻電容元器件進(jìn)行設(shè)定，這使得DR702Q控制簡單并且占用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壓和過流報(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。相較于DR703Q， DR704Q進(jìn)一步增加了過壓保護(hù)功能，離線負(fù)載檢測功能以及電流檢測共模點(diǎn)可配等檢測功能。目前DR70x系列產(chǎn)品均為車規(guī)級產(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，來滿足MOS管的不同的開關(guān)速度的需求。DR70x系列產(chǎn)品帶有電流檢測功能，通過檢測電機(jī)低邊電流，配合堵轉(zhuǎn)、剎車電流的限定。該產(chǎn)品支持豐富的保護(hù)功能，包括供電電壓的過壓、欠壓保護(hù)、Vgs門級鉗位以及對外部MOS的VDS退飽和保護(hù)和過溫保護(hù)等，對芯片本身和外部的MOS管都有綜合的保護(hù)機(jī)制。DR70x的封裝為QFN32小型封裝，配合不同功率等級的MOS管，可以驅(qū)動(dòng)不同功率等級的電機(jī)，因此應(yīng)用非常廣泛，在智能底盤以及車身控制中的車窗、尾門、推拉門等系統(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)中比較常見的現(xiàn)象，主要發(fā)生在電機(jī)突然降速或者剎車時(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ISO 7637-2 24V System pulse 5B測試。DR704Q產(chǎn)品中帶有VM偵測電路，當(dāng)VM管腳電壓超過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)勢約等于零，流過電機(jī)繞組的電流非常大，作為驅(qū)動(dòng)需要限制電流來保護(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)等場景下的限流保護(hù)。DR703Q對于外部MOS管的門級驅(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（化開關(guān)損耗）和更好的EMI性能間進(jìn)行平衡，而無需更改硬件設(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、電門模塊、電動(dòng)尾門、天窗以及電動(dòng)座椅等場景中。
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