【导读】直流电机因其能耗低、体积小、传动比分级精细、通用性强等特点广泛应用于汽车、医疗仪器、军工设备等各个领域。随着消费者对节能、安全、便捷等功能要求的提高,直流无刷 (BLDC)电机亦被越来越多地整合至汽车水泵、油泵、燃油泵、散热风扇、暖通空调(HVAC)、混合动力系统、座椅风扇等部件,实现更高能效和性能。

图一:直流无刷电机在汽车中的应用
直流无刷电机的原理及优势
无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等 。

图2:直流无刷电机的原理
优势:直流无刷电机无需电刷和换向器,解决空间受限的系统设计,且不用担心一般的磨损、火花和噪声,提供良好的控制,为汽车内的特定应用提供可变速控制。更重要的是,直流无刷电机可提升燃油能效,节省约60%~70%的能耗。当无刷电机用于电动助力转向(EPS),行驶里程增加3~5%,用于 电动水泵(EWP)及电动油泵(EOP)提升约3%的能效,用于燃油泵提升约1%的能效。例如,水泵和油泵通常通过发动机电源运行。如果发动机停止,发动机启停系统就没有电 源。但是,如果电机用于水泵和油泵,无论发动机是启动还是停止,这些功能都可独立运行,从而提升燃油经济性。
带嵌入式算法智能直流无刷电机方案介绍
由于直流无刷工作过程中,三项逆变器工作需要一个门极驱动器,它通常由一个微控制器实施复杂的软件算法来控制。这增加了系统复杂性,对工程师来说是一大技术挑战。日前安森美推出的智能无刷电机LV8907无需外部电机位置传感器或系统微控制器,自带嵌入式控制算法,完美的解决了这一问题。该方案利用无传感器驱动逻辑实现无传感器120度或150度控制换流,采用近似正弦波运行以满足无声驱动要求。可配置的参数适合一系列电机和负载组合,一次性可编程(OTP)内存提供参数存储,实现方案定制化,省去外部元件来执行各种设置,实现独立工作,集成门极驱动器,用于驱动外部N-MOSFET,电荷泵驱动提供100%占空比和扩展的低压工作。芯片通过LIN接口与外界交互,SPI接口提供配置、实时控制和诊断。在汽车应用中,要求能在150 °C的环境温度(Ta)和170 °C的结温(Tj)下工作,LV8907耐受工作结温达175℃,确保在严苛的汽车工作环境下的可靠性,完全符合AEC-Q100标准。
图3:智能无刷电机方案框图
由于LV8907高度集成MOSFET门极驱动器、LIN收发器和低压降稳压器(LDO),最大限度地减少占位面积;无需依赖的位置传感器,无软件缺陷,故障监测及诊断功能完善,集成逐周期限流、过流保护、过压/欠压保护、过温保护、堵转保护等一系列保护特性,基于状态机的方案采用OTP实现参数化,无EMI/EMC问题引起的数据损坏,实现最高系统可靠性。LV8907无需软件和易于定制,比基于微控制器的方案缩短达80%的开发时间,加快产品上市,并节省物料单成本。
高集成度的智能功率模块(IPM)
随着降低汽车内电子电路成本、减小尺寸及重量,和实现更高可靠性的要求日益增加,智能功率模块可更好地满足趋势所需。
图4:独立的无传感器式电机控制IPM
STK984系列采用独特的绝缘金属基板技术(IMST),将不同结构的半导体元件及无源器件和其它部分集成到单个模块中。IMST结构通过使用绝缘层覆盖铝片,将铜箔置于顶层,并在铜箔上蚀刻,使单层布线图案能被自由定制。基于IMST的IPM,由于功率晶体管、提供温度检测的控制电路和保护电路可贴装在同一板上,从而最大限度减小温度检测的误差,实现高精度温度检测;由于在金属基板的铝片和铜箔之间有一个分布式电容通过绝缘树脂,有效地降低噪声;此外,IMST结构还提供出色的散热性能。
为应对汽车功能电子化趋势,车用电机正越来越多,并从有刷直流向无刷直流发展。随着减小尺寸及重量、降低系统成本和实现更高可靠性的要求日益增加,驱动电机的未来会向着高可靠性、智能化、低功耗、高度集成化的方向发展。