工业和汽车用的电机控制动向

摘  要：介绍了工业、三相无刷和步进电机、汽车领域电机的应用动向，及TI的新芯片产品及解决方案。

关键词：电机；控制；三相无刷；步进电机；集成

1  电机的应用动向

不同的电机使用场景对电机控制系统发展的要求不尽相同。

1）在工业电机应用领域中，包括变频器、伺服 和机器人等。这些工业领域中电机控制系统对电机的运行效率、运动控制速 度、精度、可靠性、功率密度和智能化要求会越来越高。工业4.0系统需求让电机控制系统不仅仅是一个执行单元，还需要承担更多的监控、信息采集、运行状态监控功能。通过工业以太网，将终端生产指令在电机控制单元快速执行，生产过程无缝同步、多轴协同。同时在这个过程中，可以收集大量的数据，以优化生产流程，实时监控电机状态进行可预测性诊断与防护。

2）三相无刷和步进电机通常用于纺织、家电、 打印机、3D打印、电动滑板等应用场景。更小、更安静、更可靠是主要发展趋势。三相无刷电机提供更快的反馈速度、更高的效率、更长的使用寿命、更低的噪声，已经在电动工具、机器人、风扇等应用中逐步开始替换传统的直流电机，市场占有率越来越高。传统的三相无刷和步进电机方案需要使用主控MCU、分立驱动和功率Si MOSFET分立方案，尺寸大而且设计难度较高。目前主流全集成SoC方案包含电机控制算法、驱动和功率器件，可以帮助客户快速实现量产，并且使客户更专注在产品功能的打磨，而节省客户花费在电机控制系统的开发时间。

3）在汽车领域，有刷电机驱动器也展现出令人兴奋的发展。腰部支撑、座椅高度调节和座椅冷却/加热曾被认为是豪华功能，现在也逐渐进入到主流车型中。 如今，仅仅是为驾驶员和乘客的前排座椅移动和舒适性而设计的方案就包含10个以上的电机驱动器。

在传统方案中，汽车制造商使用大型继电器来驱动有刷电机，现在许多制造商正转向全集成电机驱动方案，最显著的优点是能够控制电机速度，利用集成保护功能，减小尺寸和噪声，以及提高可靠性。使用了电机集成电路方案，车窗开始具有高级功能，包括速度控制和防夹功能。

2  TI的芯片动向 及解决方案

TI丰富的产品线正好能够提供电机控制方案所有关键应用的核心，包括主控DSP方案、驱动器、IGBT和 SiC驱动器、电流隔离采样、隔离器、全集成三相电机 驱动器、GaN功率管等。

具体地，作为电机控制的核心，TI C2000系列产品持续提高主频，并集成了高速ADC、高精度PWM，帮助电机控制算法达到更高电流闭环、速度环带宽。

另外，数据显示[1]在2019年，传统的工业现场总线的节点数第一次出现了下 降，工业以太网成长逐渐超过传统RS485和CAN等工业现场总线。TI C2000 最新F2838系列产品中， 第一次在内部集成工业以太网协议Ethercat以满足工业4.0对通信带宽日益增长的要求，能够使用单芯片完成总线型变频器与伺服驱动器设计。另外TI Sitara 产品线同时也在积极布局多总线协议，例如Profinet、 EthernetIP、CC-link等。

随着工业电机控制器尺寸越来越小，功率密度随之增加。更小的空间带来了更严苛的设计挑战，包括发热、EMI和稳定性。业界领先的开发商开始使用全新的功率器件像GaN和SiC来解决这些问题。TI提供GaN 产品LMG3410集成GaN功率管和驱动方案，帮助客户克服GaN高频驱动设计的难关。最新一代的驱动芯片UCC2351x和 UCC2171x系列产品，将驱动芯片工作环境温度推高到120 ℃以上，最大的驱动电流达到10 A。 最新隔离采样方案AMC3301在一个芯片中实现隔离 ADC和隔离供电的功能。这些最新方案帮助客户解决了 EMI、芯片散热、方案尺寸等极其挑战的问题。

在步进电机控制领域，TI的步进电机驱动器集成先进的智能调整技术，它可以自动调整步进电机电流衰减模式，降低噪音，同时提高效率，最高可降低10 ℃电机运行温度。最新的适用于汽车行业的步进电机 DRV8889-Q1，不仅包含TI的智能调整技术，而且它还具有失速检测功能。在电动车智能前照灯系统中，失速 检测算法可以检测到电机何时到达端点或撞上物体。这两个功能都将帮助工程师显著降低车灯由一个端点运行到另一端终点产生的噪声。

1）工业电机控制系统方案

在方案设计过程中，提供单一芯片远远不够，当用户需要搭一个系统时，如果完全从零开始进行系统方案设计，硬件设计和软件设计会比较困难。TI还针对马达控制系统应用推出有针对性的完整参考方案，包括变频器控制，伺服控制，线性电机，步进电机，三相无刷电机，编码器等。客户就可以像搭积木一样模拟出一个系统，从而大幅降低原型机的开发成本。比如在TI电机控制系统解决方案网站上，可以看到专门为高稳定性设计的绝对值编码器方案TIDA-01401，为三相逆变器设计1.25kW GaN功率级方案等。

2）直流，步进与三相无刷马达控制方案

BDC电机驱动器组合包括适用于所有类型功率范围的集成电路——从电池供电系统（低电压支持和最低功耗是关键）到高功率系统（需要带外部FET的栅极驱动器来处理电流）。直流马达和步进马达驱动具有多种功能，如超低睡眠功率模式、小封装、短路或开路诊断、智能栅极驱动、集成电流感测和内置电流传感放大器。

得益于诸如智能栅极驱动、集成电机控制、集成FET和功能安全设计封装等技术， BLDC电机驱动器能够最大限度地提高三相无刷电机和永磁同步电机（PMSM）的性能，以支持各种各样的工业、个人电子和汽车应用。我们的三相无刷BLDC电机驱动器组合包括DRV8304（最大40V）、DRV8323（最大60V）和DRV8353（最大100V），这些驱动器能够在各种工业应用中实现更小、成本更低、可靠性更高的设计，如电动工具、四轴飞行器和机器人。