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電動汽車 (EV) 和混合動力汽車 (HEV)（通常稱為 xEV）系統(tǒng)的設(shè)計者面臨著持續(xù)的壓力，要求每次充電提供更多的里程，以減少里程焦慮和降低車輛碳排放。同時，他們需要增加更多的電機(jī)、傳感器、相關(guān)電子器件、處理器和軟件，以滿足更高水平的車輛自主性、用戶功能和安全性，同時也要降低成本。 用于門、窗、電池冷卻風(fēng)扇、散熱器風(fēng)扇和泵以及其他功能的電機(jī)就是一個特別棘手的問題，因為它們不僅增加了重量，還需要先進(jìn)的控制算法，如磁場定向控制 (FOC)，以盡量減少噪音和功耗，同時確保平穩(wěn)響應(yīng)。由于需要同時滿足 ISO 26262 功能安全要求和 AEC-Q100 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此整個系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)變得非常復(fù)雜。 為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計者可以尋求采用各種符合車規(guī)要求的器件，這些器件擁有更高的硬件和軟件水平，簡化了各種功能的設(shè)計和集成，同時也減少了零件數(shù)量和總體空間占地。 本文討論了電動汽車和混合動力汽車設(shè)計者所面臨的問題。然后，介紹并展示了如何使用高度集成的 FOC 無刷直流 (BLDC) 電機(jī)控制器和相關(guān)評估板來啟動高效的 EV/HEV 電機(jī)設(shè)計。最后還展示了各種監(jiān)測電流、3D 位置、速度和方向的傳感器，所有這些都來自一家叫 Allegro MicroSystems 的廠商。 電動汽車面臨的成本、安全和里程焦慮問題 xEV 的設(shè)計者必須解決的問題很多，包括車輛成本、安全性和可靠性——尤其是在車輛自主性水平不斷提高的情況下，每次充電的行駛里程（里程焦慮）和電池組壽命。 為了獲得安全性和可靠性，需要先進(jìn)的傳感器來滿足 ISO 26262 中定義的高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 功能的要求。為了降低成本和提高里程，設(shè)計者已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用高達(dá) 800 伏的高電壓電源軌，以提高效率和減少電纜重量，同時也在利用電池組設(shè)計改進(jìn)。 例如，改進(jìn)電池?zé)峁芾碛兄谔岣咝旭偫锍毯脱娱L電池壽命，而改進(jìn)電動汽車和混合動力汽車牽引逆變器的冷卻則有助于提高功率和能量密度并減輕重量。 雖然隨著半導(dǎo)體器件集成度越來越高，使得在更小的重量和空間下實現(xiàn)了更多的功能，但必須嚴(yán)控必要冷卻風(fēng)扇所需的無刷直流電機(jī)，以優(yōu)化效率。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，在電機(jī)控制器柵極驅(qū)動器上包括先進(jìn)的電機(jī)控制算法，如 FOC，是非常有用的。 高性能冷卻 FOC 可以使電機(jī)在整個速度范圍內(nèi)平穩(wěn)運行，并且可以在啟動時產(chǎn)生全扭矩。此外，F(xiàn)OC 可以提供快速而平穩(wěn)的電機(jī)加速和減速，這一特性對于高性能運動應(yīng)用中的精確控制非常有用。FOC 可用于開發(fā)高效、緊湊和安靜的低壓 (LV)（50 伏及以下直流）驅(qū)動器，適合最高 500 瓦的高性能 BLDC 電機(jī)系列。這些電機(jī)通常用于 xEV 高壓 (HV) 電池冷卻風(fēng)扇，以及加熱通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 風(fēng)機(jī)和高壓牽引變頻器冷卻系統(tǒng)的液體泵（圖 1）。 
圖 1：FOC 電機(jī)控制器可以使用低壓電池電源來冷卻 xEV 高壓電池和高壓牽引逆變器。（圖片來源：Allegro MicroSystems） 在傳統(tǒng)設(shè)計中，F(xiàn)OC 是通過外部傳感器使用微控制器來實現(xiàn)的。這些設(shè)計稱為直接 FOC，可能很復(fù)雜，而且由于依賴外部傳感器來測量電機(jī)的運行參數(shù)，往往會出現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)降低問題。 通過取消外部傳感器，可以實現(xiàn)性能更好、成本更低的 FOC。 要實現(xiàn) FOC ，仍然需要來自缺失傳感器的信息，并且可以從電機(jī)終端的電壓和電流中提取電機(jī)繞組中的反電動勢 (BEMF)。雖然硬件比較簡單，但無傳感器 FOC 的實現(xiàn)需要更復(fù)雜的控制軟件。 無傳感器的 FOC 算法可以實現(xiàn)最高的效率和動態(tài)響應(yīng)，同時最大限度地減少聲學(xué)噪音。它還為電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時提供了強(qiáng)大的開環(huán)啟動，此時沒有 BEMF 信息可用。 用于汽車?yán)鋮s風(fēng)扇和泵的簡易 FOC 雖然大多數(shù) FOC 無刷直流驅(qū)動器需要軟件開發(fā)人員編寫并將算法移植到微處理器或微控制器中，但 Allegro MicroSystems 的 A89307KETSR-J 將無傳感器 FOC 算法直接集成到了柵極驅(qū)動器中。A89307KETSR-J 只有五個外部無源元件（四個電容和一個電阻），最大限度地減小了物料清單 (BOM)，提高了可靠性，并降低了設(shè)計復(fù)雜性（圖 2）。
圖 2：典型的 A89307KETSR-J xEV 電池組冷卻風(fēng)扇應(yīng)用電路顯示了五個外部元件：四個電容和一個電阻。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 柵極驅(qū)動器工作電壓為 5.5 至 50 伏直流。集成的 FOC 算法包括恒定扭矩和恒定功率，以及開環(huán)和恒定速度工作模式。A89307KETSR-J 包括用于脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 或時鐘模式速度控制、制動和方向的輸入，以及用于故障條件和電機(jī)速度的輸出信號（圖 3）。
圖 3：A89307KETSR-J 的內(nèi)部框圖顯示了 FOC 控制器（中間）、PWM 或時鐘模式速度控制 (SPD)、剎車 (BRAKE) 和方向 (DIR) 輸入（左邊），以及故障 (FAULT) 和電機(jī)速度 (FG) 輸出（也在左邊）。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 經(jīng)過優(yōu)化，可驅(qū)動外部低導(dǎo)通電阻 N 溝道功率 MOSFET。它可以提供快速開啟和關(guān)閉 MOSFET 所需的大峰值驅(qū)動電流，以盡量減少開關(guān)期間的功率耗散，提高運行效率并減少熱管理問題。它提供多種柵極驅(qū)動水平，能夠讓設(shè)計人員優(yōu)化電磁干擾 (EMI) 輻射和效率之間的權(quán)衡。MOSFET 的快速導(dǎo)通減少了開關(guān)損耗，但增加了 EMI，而較慢的 MOSFET 導(dǎo)通則減少了EMI，其代價是增加開關(guān)損耗和降低效率。 電機(jī)速度可以通過 PWM、模擬或 CLOCK 輸入來控制。此外還有閉環(huán)速度控制選項，且每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (RPM) 與時鐘頻率之比可編程。無傳感器啟動控制包括正向和反向預(yù)旋轉(zhuǎn)（風(fēng)車）檢測和同步，使得 A89307KETSR-J 能夠在廣泛的電機(jī)和負(fù)載配置范圍內(nèi)運行。 Allegro MicroSystems 的非返向啟動算法也提高了啟動性能。上電后電機(jī)將以正確的方向啟動，沒有反向振動或搖晃。軟啟動-軟關(guān)閉功能在“開啟”指令下逐漸增加電機(jī)的電流（風(fēng)車狀態(tài)），在“關(guān)閉”指令下逐漸減少電機(jī)的電流，進(jìn)一步降低了聲音噪音（圖 4）。
圖 4：A89307KETSR-J 的軟“啟動”（上）和軟“關(guān)閉”（下）的電流波形使得電機(jī)運行平穩(wěn)，降低了聲學(xué)噪音。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 包括一個 I2C 接口，用于設(shè)置電機(jī)額定電流、電壓、速度、電阻和啟動曲線。I2C 還實現(xiàn)了開/關(guān)和速度控制，以及速度反饋和故障信號。 無傳感器 FOC 評估板 設(shè)計者可以使用 APEK89307KET-01-T-DK 評估板和相關(guān)軟件來加快使用 A89307KETSR-J 開發(fā)基于 FOC 的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器（圖 5）。該板包括 A89307KETSR-J，可訪問所有輸入和輸出引腳，外加一個完整的三相功率級，用于驅(qū)動 BLDC 電機(jī)。設(shè)計者可以使用一個簡單的圖形用戶界面 (GUI) 選擇 FOC 驅(qū)動參數(shù)，并將其加載到片上 EEPROM 中。A89307KETSR-J 物料需要最小，使得驅(qū)動器的設(shè)計可以安裝在電機(jī)外殼內(nèi)，進(jìn)一步減少了解決方案的尺寸。
圖 5：APEK89307KET-01-T-DK 評估板上有 A89307KETSR-J（U1，位于板子中間左側(cè)）和六個功率 MOSFET（右側(cè)）來驅(qū)動一個 BLDC 電機(jī)。（圖片來源：Allegro MicroSystems） 用于 ADAS 的傳感器 xEV 系統(tǒng)的設(shè)計者需要檢測電機(jī)驅(qū)動器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和逆變器中的電流水平，節(jié)流閥和氣缸的旋轉(zhuǎn)位置，以及變速器中齒輪的速度和方向，以實現(xiàn)緊湊而經(jīng)濟(jì)的 ADAS 功能。Allegro MicroSystems 為 ADAS 提供了各種傳感器解決方案，包括： 電流檢測：ACS72981KLRATR-150B3 為設(shè)計者提供了經(jīng)濟(jì)而精確的交流或直流電流檢測能力。這種高精度線性霍爾效應(yīng)電流傳感器的帶寬為 250 千赫茲 (kHz)，旨在用于電機(jī)控制、DC-DC 轉(zhuǎn)換器控制、逆變器控制以及負(fù)載檢測和管理。它是一個符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的 IC，響應(yīng)時間 <2 微秒 (μs)，支持安全關(guān)鍵型應(yīng)用的快速過流故障檢測需求。 3D 位置檢測：使用 Allegro MicroSystems 的 A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC，可以快速實現(xiàn)用于節(jié)氣門、閥門、氣缸和變速器位置檢測的非接觸式線性和旋轉(zhuǎn) 3D 磁性位置檢測。該器件可以測量水平和垂直平面上的旋轉(zhuǎn)運動，并測量橫向或前后線性運動（圖 6）。
圖 6：A31315LOLATR-XY-SE-10 3D 位置傳感器可以測量水平和垂直平面的旋轉(zhuǎn)運動，并測量橫向或前后的線性運動。（圖片來源：Allegro MicroSystems） A31315LOLATR-XY-S-SE-10 傳感器為設(shè)計者提供了比率式模擬、PWM 或 SAE J2716 單邊半字節(jié)傳輸 (SENT) 輸出格式的選擇。它的開發(fā)是為了滿足安全相關(guān)型汽車系統(tǒng)中 ISO 26262 ASIL B（單芯片，SOIC-8 封裝）和 ASIL D（冗余雙芯片，TSSOP-14 封裝）的能力。 速度和方向：ATS19520LSNBTN-RSWHPYU 是一種耐振動、差動霍爾效應(yīng)傳動速度和方向齒輪齒傳感器，有正向和反向感應(yīng)型號（圖 7）。
圖 7：所示 ATS19520 的 "F" 型變體能夠測量齒輪齒從引腳 1 到引腳 3（頂部）通過時的正向旋轉(zhuǎn)以及齒輪齒從引腳 3 到引腳 1（底部）通過時的反向旋轉(zhuǎn)。"R" 變型則測量相反方向的旋轉(zhuǎn)。（圖片來源：Allegro MicroSystems） ISO 26262 ASIL B 級傳感器具有集成診斷功能，適合用于 xEV 驅(qū)動系統(tǒng)。三引腳單列直插式封裝 (SIP) 包括一個集成的背部偏移磁鐵，用于測量旋轉(zhuǎn)的含鐵目標(biāo)的速度和方向，以及一個集成電容器，以確保電磁兼容性。 結(jié)語 集成無傳感器 FOC 無刷直流電機(jī)驅(qū)動器以及電流傳感器、磁性位置傳感器和旋轉(zhuǎn)傳感器，是設(shè)計具有更大里程數(shù)和更低碳排放的高效和安全型 xEV 的關(guān)鍵組件。特別是，使用 FOC 電機(jī)驅(qū)動器，可以設(shè)計出更高效、更安靜的冷卻系統(tǒng)，并改善電池組和牽引逆變器的動態(tài)響應(yīng)。就其本身而言，緊湊、精確和節(jié)能的傳感器對于開發(fā)滿足高級駕駛輔助系統(tǒng)可靠性要求和 ISO 26262 功能安全要求的 xEV 至關(guān)重要。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
