【導讀】作為人與車(chē)輛重要的溝通及交互的橋梁，中控屏的尺寸不僅越做越大，而且不少廠(chǎng)商選擇旋轉大屏，不僅可以實(shí)現多場(chǎng)景便捷交互，而且可以使車(chē)載娛樂(lè )系統更加智能。其中的典型代表有比亞迪，全新一代唐&秦Pro中控屏會(huì )根據場(chǎng)景自動(dòng)旋轉到橫/豎屏模式。而實(shí)現車(chē)載觸摸屏可旋轉，電機的作用不可或缺。要想實(shí)現電機的精準運動(dòng)，電機驅動(dòng)芯片的選擇至關(guān)重要。
1. 前言
當車(chē)輛與智能相融合，不僅是自動(dòng)駕駛，智能座艙也成為了當下的焦點(diǎn)。在目前的智能座艙中，屏幕毫無(wú)疑問(wèn)地充當著(zhù)主角，其大小不一，種類(lèi)繁多的屏幕出現在了車(chē)內的各個(gè)角落之中。作為人與車(chē)輛重要的溝通及交互的橋梁，中控屏的尺寸不僅越做越大，而且不少廠(chǎng)商選擇旋轉大屏，不僅可以實(shí)現多場(chǎng)景便捷交互，而且可以使車(chē)載娛樂(lè )系統更加智能。其中的典型代表有比亞迪，全新一代唐&秦Pro中控屏會(huì )根據場(chǎng)景自動(dòng)旋轉到橫/豎屏模式。而實(shí)現車(chē)載觸摸屏可旋轉，電機的作用不可或缺。要想實(shí)現電機的精準運動(dòng)，電機驅動(dòng)芯片的選擇至關(guān)重要。
圖1. 旋轉中控屏
圖2. 可翻轉吸頂屏
旋轉屏大多都采用直流電機。因為與交流電機相比，直流電機的控制系統更容易實(shí)現。因此，在需要控制速度、轉矩或位置時(shí)，通常都采用直流電機。常用的直流電機有兩種：有刷電機和無(wú)刷電機。顧名思義，有刷直流電機帶有電刷，電刷可以使電機換向并旋轉；而無(wú)刷電機則用電子控制取代了機械換向功能。旋轉中控屏是既可以使用有刷直流電機，也可以使用無(wú)刷直流電機。兩種類(lèi)型的電機基于相同的線(xiàn)圈和永磁體吸引與排斥原理，二者都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據應用需求進(jìn)行具體選擇。表1總結了兩種電機類(lèi)型的主要優(yōu)缺點(diǎn)。
表1. 兩種電機類(lèi)型的主要優(yōu)缺點(diǎn)
無(wú)刷電機現在越來(lái)越普及，特別是在汽車(chē)電機等大批量應用中。隨著(zhù)無(wú)刷電機及其相關(guān)電子設備（如微控制器）的成本不斷降低，無(wú)刷電機逐漸滲透傳統有刷電機占據主導的應用。在高端車(chē)型中絕大多數電機已經(jīng)換成了無(wú)刷電機，因為它們產(chǎn)生的噪音更小。
2. 無(wú)刷直流電機
選擇 BLDC 驅動(dòng)器時(shí)，第一步是確定電機的功率等級，中低功率應用適合用集成FET驅動(dòng)器，大功率電機驅動(dòng)系統適合用柵極驅動(dòng)器。功率一般可以由電壓與電流的乘積決定。在電池供電系統和線(xiàn)路供電系統中，電源電壓都可能會(huì )發(fā)生變化，因此電機驅動(dòng)器應至少支持電池的最大電壓，并提供額外的裕量，防止系統中出現電壓反饋或瞬態(tài)。對于穩壓良好的電源和低功耗電機，TI建議使用額定電壓高達最大電壓1.2倍的電機驅動(dòng)器，而對于大功率電機和電池系統，則建議使用1.5倍到2倍的電機驅動(dòng)器。集成式FET架構的電機功率可通過(guò)方程式1計算得出，其中VM是電機電壓，IRMS是電機的標稱(chēng)電流。
經(jīng)常有客戶(hù)問(wèn)到電機支持的峰值電流是多少，需要說(shuō)明的是，峰值電流是電機中可能由開(kāi)關(guān)、浪涌或寄生效應引起的最大短時(shí)電流。如今，許多電機驅動(dòng)器都具有過(guò)流保護等內置保護功能。峰值電流是在過(guò)流保護功能啟動(dòng)之前可以驅動(dòng)的最大電流。TI的集成式FET驅動(dòng)器可以驅動(dòng)高達數十安培的峰值電流。對于電機驅動(dòng)功率的選擇，表 2 比較了柵極驅動(dòng)器和集成式 FET 驅動(dòng)器架構的規格。
表 2. 電機驅動(dòng)器架構
由于旋轉屏或者可翻轉吸頂屏應用在車(chē)內，對于噪聲有一定要求，否則可能會(huì )影響乘客的乘車(chē)體驗。電機噪聲的主要影響因素是電機的控制方式。無(wú)刷直流電機通常有三種控制方式：梯形波控制、正弦波控制和磁場(chǎng)定向控制（FOC）。
1. 梯形波
梯形換向是旋轉三相無(wú)刷直流電機的最基本方法。這是通過(guò)每 60 度電角以 6 步模式為繞組通電來(lái)實(shí)現的，這樣一來(lái)，一個(gè)相位為電機提供拉電流，另一個(gè)相位為電機提供灌電流，最后一個(gè)相位保持未連接（高阻態(tài)）。這會(huì )為每個(gè)相位產(chǎn)生 120° 梯形電流波形（圖3）。梯形波可以通過(guò)有傳感器或無(wú)傳感器的方式來(lái)確定電機的位置并有效地對電機進(jìn)行換向。它是一種低成本、易于實(shí)施的解決方案，可產(chǎn)生高轉矩和速度，并將 MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗降至最低。然而，由于電流驅動(dòng)不理想，它的分辨率很低，并且會(huì )導致轉矩紋波和可聽(tīng)噪聲。
圖3. 梯形控制 (120°)
2. 正弦波
正弦換向是另一種換向方法，三相同時(shí)通電，并且三相電流在 180 度電角內呈平滑的正弦波變化（圖4）。定子的正弦磁通會(huì )吸引轉子，從而使轉子平穩旋轉。由于無(wú)刷直流電機的反電動(dòng)勢 (BEMF)呈正弦變化，若電機電流也呈正選波變化則產(chǎn)生的轉矩是恒定的。這意味著(zhù)電機噪音小，功效高。
圖4. 正弦控制 (180°)
3. 磁場(chǎng)定向控制
FOC 是 Field-Oriented Control 的縮寫(xiě)，即磁場(chǎng)定向控制，它是一種高效換向技術(shù)，用于精確高效地控制電機的速度和轉矩。顧名思義，FOC技術(shù)會(huì )使定子磁場(chǎng)與轉子磁通垂直，以便實(shí)現最大轉矩。FOC 的實(shí)現可能非常復雜，因為它需要復雜計算處理能力來(lái)處理數學(xué)變換和計算，例如 Clarke Park 變換、反Clarke 變換和反Park變換。如果通過(guò)相位定子電流和電壓以無(wú)傳感器的方式估算位置和速度，則微控制器必須足夠快，以便在電機旋轉時(shí)估算角度和速度。這可能需要使用實(shí)時(shí)數字信號處理器 (DSP) 來(lái)對這些數學(xué)計算進(jìn)行流水線(xiàn)處理或實(shí)施大型查找表并同時(shí)計算其余變換。對于需要高精度的FOC的應用需要高精度編碼器。根據編碼器的分辨率，在實(shí)現轉矩脈動(dòng)最小化的同時(shí)實(shí)現精確的位置控制。
圖5. 磁場(chǎng)定向控制狀態(tài)矢量圖
表 3. 不同控制方法的比較
由旋轉屏和可翻轉吸頂屏的市場(chǎng)要求：電機應移動(dòng)到特定位置、能夠保持該位置并來(lái)回移動(dòng)，噪音盡可能的?。赡軙?huì )有客戶(hù)要求在距離電機50cm處的噪音不超過(guò)30dB），電機功率一般不大于70W。并根據上述分析可得出，選擇集成FET驅動(dòng)器（有利于減少體積并減少外圍電路設計），并支持磁場(chǎng)定向控制以最大限度的降低噪音，無(wú)位置傳感器方案和帶傳感器方案都可行（如今的無(wú)位置傳感器方案已經(jīng)應用廣泛并較為成熟）。TI提供多種電機控制方案供客戶(hù)選擇，以下重點(diǎn)介紹兩種方案。
方案一：MCU+Motor Driver-- MSPM0G3507+DRV8316-Q1（具有旋轉屏和吸頂屏的成功案例）
圖6. 方案一MSPM0G3507+DRV8316-Q1
現代電機驅動(dòng)系統的性能不斷提高、因此對實(shí)時(shí)控制的要求也相應提高。對于旋轉屏應用，要求電機實(shí)現高精度的位置控制，對精度有一定要求。TI 的MOG3507微控制器或C2000 MCU可提高模擬集成度、從而在不到1 μ s 的時(shí)間內執行電流環(huán)路、即快速電流環(huán)路。通過(guò)在現代控制拓撲中利用快速電流環(huán)路、設計人員能夠以更低的成本開(kāi)發(fā)尺寸更小、性能更高的系統。
DRV8316-Q1可驅動(dòng)12V 且功率高達40W無(wú)刷直流電機的客戶(hù)提供了一種單芯片功率級解決方案 。DRV8316-Q1 集成了三個(gè)1/2-H 電橋，具有40V的絕對最大電壓和 95mΩ（高側加低側）的超低RDS(ON)，可提供大功率驅動(dòng)能力。通過(guò)集成電流檢測功能完成檢測，無(wú)需外部電流檢測電阻器?？烧{降壓穩壓器和 LDO 的電源管理性能為芯片生成3.3V/5V電壓軌，可用于為外部電路供電。DRV8316-Q1 實(shí)現了 6x 或 3x PWM 控制方案，可用于使用外部微控制器實(shí)施有傳感器或無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC)、正弦控制或梯形控制。DRV8316-Q1 能夠驅動(dòng)高達 200kHz 的 PWM 頻率。該控制方案可通過(guò)硬件引腳或寄存器設置進(jìn)行高度配置，可實(shí)現電機電流限制和故障響應。
MSPM0G3507 是具有 CAN-FD 接口的混合信號微控制器，具有較好的價(jià)格優(yōu)勢。具有糾錯碼 (ECC) 且高達 128KB 的閃存，可用于故障診斷的大容量閃存。具有硬件奇偶校驗且高達 32KB 的 SRAM。低功耗：整個(gè)系統的電流消耗應小于100μA。具有17 個(gè)外部通道的 12 位 4Msps 同步采樣模數轉換器 (ADC)，一個(gè)12 位數模轉換器 (DAC)，3個(gè)高速比較器 (COMP)，2個(gè)零漂移、零交叉斬波運算放大器 (OPA) ，1個(gè)通用放大器 (GPAMP)，一個(gè)控制器局域網(wǎng) (CAN) 接口支持 CAN 2.0 A 或 B 以及 CAN-FD, 四個(gè) UART 接口，兩個(gè) SPI，一個(gè) SPI 支持高達 32Mbit/s，兩個(gè) I2C 接口，60個(gè)GPIO，精度高達 ±1.2% 的內部 4MHz 至 32MHz 振蕩器 (SYSOSC)，一個(gè)高達 80MHz 的鎖相環(huán) (PLL)。
DRV8316-Q1的特點(diǎn)及優(yōu)勢：
1. 電流檢測放大器
電流檢測反饋在電機系統中非常重要，用于實(shí)現閉環(huán)轉矩控制或檢測電流限制。TI 的 BLDC 電機驅動(dòng)器DRV8316-Q1可以提供3 個(gè)電流檢測放大器 (CSA) 來(lái)檢測電機相電流，并作為微控制器模數轉換器的模擬電壓反饋。DRV8316-Q1集成式低側電流檢測架構無(wú)需外部分流電阻器；其通過(guò)電流鏡像技術(shù)檢測低側 MOSFET 的電機電流，并將其轉換為模擬電壓。這種形式的電流檢測主要用于集成式MOSFET BLDC 電機驅動(dòng)器。
2. 接口
在驅動(dòng) BLDC 電機旋轉之前，必須對許多驅動(dòng)器設置進(jìn)行適當配置和調優(yōu)，以便電機系統能夠穩健高效地工作。 例如，其中一些設置可能包括過(guò)流保護閾值、柵極驅動(dòng)電流設置或 PWM 輸入模式。TI BLDC 電機驅動(dòng)器提供多 種接口來(lái)簡(jiǎn)化配置設置、診斷電機故障，甚至是控制電機本身。DRV8316-Q1支持串行外設接口 (SPI)、硬件 (H/W) 接口進(jìn)行通信。
3. 功率集成
為了提供外部電源軌來(lái)為系統中的其他器件或電路供電（例如 MCU 和 CSA 基準電壓），許多 TI BLDC 電機驅動(dòng)器都提供了集成式降壓穩壓器和線(xiàn)性壓降穩壓器 (LDO)。DRV8316-Q1內置 3.3V (5%)、30mA LDO 穩壓器、內置 3.3V/5V、200mA 降壓穩壓器。
4. 100% 占空比支持
外部功率級中的高側 N 型 MOSFET 需要比電機電壓高大約 10V的電壓，才能完全增強MOSFET。在某些應用中，此 FET 需要在整個(gè) PWM 周期內（100% 占空比支持）導通，這在提供穩壓柵極電壓和柵極電流的設計中帶來(lái)了挑戰。TI 提供了兩種集成選項來(lái)支持高側 MOSFET 增強所需的 100% 占空比：自舉或電荷泵架構。
自舉架構使用外部自舉電容器來(lái)通過(guò)外部提供或內部生成的柵極驅動(dòng)電壓 (GVDD) 提供高側 MOSFET 增強。為了刷新自舉電容器，必須斷開(kāi)高側 FET，并且必須在最短時(shí)間內導通低側 FET。為了支持 100% 占空比，器件中集成了涓流電荷泵，以便增強高側MOSFET。自舉架構成本低、集成度小，且效率高。
電荷泵架構集成了倍增或三倍電荷泵控制器，用于調節來(lái)自電機驅動(dòng)器電源電壓的高側柵極驅動(dòng)電壓。這樣就無(wú)需使用外部自舉電容器，并且只需兩個(gè)電容器即可實(shí)現電荷泵運行。倍增或三倍電荷泵可滿(mǎn)足更低的最低電源電壓要求，從而生成高側 MOSFET 柵極驅動(dòng)電壓。
圖 7. BLDC 電機驅動(dòng)器中的自舉和涓流電荷泵架構（左）和電荷泵架構（右）
5. 既可支持無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制(FOC)也可支持含傳感器FOC
可能存在客戶(hù)擔心無(wú)位置傳感器方案位置不準確，客戶(hù)也可有選擇的采用含位置傳感器的FOC方案。既可支持無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制(FOC)也可支持含傳感器FOC 為客戶(hù)提供了多種可能，供其選擇。對于位置傳感器，TI主推兩款：DRV5055、TMAG5173-Q1。DRV5055-Q1是一款線(xiàn)性霍爾效應傳感器，可按比例響應磁通密度。該器件可用于在各種應用中進(jìn)行精確的位置感測。該器件由 3.3V 或 5V 電源供電。
MSPM0 為什么適用于 BLDC的 FOC方案？
TI的可擴展 M0+ MSPM0Gxx 高性能 MCU 具有先進(jìn)的片上電機控制外設，可以為各種電機控制應用提供設計。該產(chǎn)品系列涵蓋 32KB 至 128KB 的閃存，并具有可擴展的模擬集成、電機控制外設和 CAN。在 BLDC的FOC 應用中，MSPM0 監控電機狀態(tài)并運行 FOC 算法。根據系統架構和電機電壓，FOC應用中使用了兩種主要的模擬集成拓撲，特別是在需要使用觀(guān)測器估算電機實(shí)時(shí)位置的無(wú)傳感器 FOC 應用中。MSPM0G 還提供了一個(gè)集成硬件加速器用于執行計算，以在 30kHz PWM 頻率或更高頻率下實(shí)現高效的 FOC 性能。
圖8. MSPM0G系列
● 80MHz M0+ CPU – 縮短 FOC 算法和檢測信號的處理時(shí)間
● 集成數學(xué)加速器
– 用于定點(diǎn)和 IQ 格式數字的 32 位硬件除法器（8 個(gè)周期）
– 在 21 個(gè)周期內完成平方根運算
– 在 29 個(gè)周期內完成 24 位三角函數計算（sin、cos、atan）
● 兩個(gè)獨立的 4MSPS 12 位 ADC 模塊（多達 16 個(gè)通道）
– 多達 11 個(gè) ENOB 并具 SNR
– 在 250ns 內進(jìn)行高達 4MSPS 的 ADC 升壓電機相電流檢測
● 兩個(gè)“零漂移”斬波運算放大器 - 精確放大兩相電流并計算第三相電流
● 三個(gè)高速比較器 – 以零等待時(shí)間實(shí)現電機的硬件低側電流限制
● 先進(jìn)的電機控制計時(shí)器 – 靈活的 6 PWM 控制和交叉觸發(fā)器
– 中心對齊的 PWM 生成
– 非對稱(chēng) PWM 允許以受控的相移生成兩個(gè)中心對齊的 PWM 信號。
– 具有死區插入的互補 PWM
– 交叉觸發(fā)器生成 ADC 時(shí)序以捕獲兩相電流
● 具有毛刺干擾濾波器的穩健 IO 設計 – 提供在存在電機噪聲的情況下仍可靠運行的系統。
● 全面的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI 和 CAN-FD，可滿(mǎn)足電機控制系統的所有通信要求。
● FOC 算法庫 – 縮短電機控制設計的上市時(shí)間。（多種設計資源）
● 可擴展 MCU 產(chǎn)品系列 - 涵蓋各種閃存選項的引腳對引腳兼容器件。
● 低成本、小尺寸封裝 - 適用于空間受限的設計的選項。
● 寬工作溫度范圍（-40°C 至 +125°C）
● 符合汽車(chē)級 Q100 標準的功能安全選項（高達 ASIL-B），可確保系統穩定性和可靠性。
方案二：?jiǎn)涡酒瑹o(wú)代碼無(wú)傳感器 FOC方案—MCF8316C-Q1
隨著(zhù)電子電路的高度集成化，完全集成式解決方案可進(jìn)一步降低成本，減少布板空間。例如TI的MCF8316C-Q1完全集成式單芯片無(wú)代碼無(wú)傳感器 FOC方案，使成本進(jìn)一步降低。 該集成芯片采用預編程、只需微調的無(wú)刷直流電機控制算法、可在系統設計階段通過(guò)MCU的簡(jiǎn)單I2C接口配置集成的電可擦除可編程只讀存儲器來(lái)實(shí)現。它們還提供硬件配置、支持系統設計人員在沒(méi)有 MCU 的情況下調整電機。MCF8316C-Q1集成了六個(gè)MOSFET、實(shí)現了采用7mmx5mm封裝的完整實(shí)時(shí)電機控制解決方案。MCF8316C-Q1 為客戶(hù)提供了一個(gè)單芯片無(wú)代碼無(wú)傳感器 FOC 方案，可用于驅動(dòng)12V 至 24V 無(wú)刷直流電機 (BLDC)，峰值電流高達 8A，功率高達40W。4.5V 至 35V 工作電壓（絕對大值 40V）。
圖9. 方案二 MSPM0G3507+DRV8316-Q1
若需要CAN接口進(jìn)行通訊，則也可接一個(gè)MCU，但無(wú)需自己調試FOC算法，MCF8316C-Q1集成了FOC算法，并具有多種調優(yōu)功能。
圖10.利用MCU做橋接進(jìn)行通訊
單芯片無(wú)代碼無(wú)傳感器 FOC方案—MCF8316C-Q1的特點(diǎn)及優(yōu)勢：
1. 使用無(wú)需編程無(wú)傳感器電機控制來(lái)縮短設計時(shí)間
MCF8316C-Q1無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器包括一系列獨特的換向控制算法，無(wú)需開(kāi)發(fā)、維護和驗證電機控制軟件算法，從而大大減少設計時(shí)間。這些算法和高集成特性可以使電機系統能更好地管理電機故障檢測等關(guān)鍵功能并實(shí)施保護機制，從而提高系統可靠性。MCF8316C-Q1集成了無(wú)傳感器技術(shù)來(lái)確定轉子位置，因此無(wú)需外部霍爾傳感器，從而降低了系統成本并提高了可靠性(位置傳感器受環(huán)境影響可能會(huì )失效或者測量不準確)。
此外，MCF8316C-Q1 無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制電機驅動(dòng)器可智能地提取電機參數，使設計人員能夠快速調優(yōu)電機，使不同的電機實(shí)現一致的系統性能，而不受電機制造差異的影響。此外，若對噪聲要求不高的場(chǎng)合，通過(guò) MCT8316Z-Q1 無(wú)傳感器梯形控制電機驅動(dòng)器，設計人員僅需五個(gè)硬件引腳即可對電機進(jìn)行調優(yōu)。由于無(wú)需微控制器接口，因此可簡(jiǎn)化系統。
2. 更低的噪音
在電機驅動(dòng)器應用中，噪音是指電機換向和諧波頻率造成的可聞噪聲。電機相電流中的任何失真都會(huì )造成可聞噪聲。電機中的定子勵磁會(huì )在可聞頻率范圍內產(chǎn)生機械諧振，進(jìn)而導致出現可聞噪聲。當電機以較低速度運行時(shí)，能夠清楚地聽(tīng)到電機換向造成的噪音。對于車(chē)內旋轉屏和可翻轉吸頂屏應用，降低噪音能在很大程度上提升乘車(chē)體驗感，因此降低噪聲是對電機驅動(dòng)應用不可或缺。對于MCF8316C-Q1，系統設計人員可以通過(guò)連續PWM調制、死區時(shí)間補償和可變換向模式等控制技術(shù)最大限度地降低可聽(tīng)噪音。
（1）連續PWM調制技術(shù)：
在連續空間矢量調制方案中，相電流波形整形將為正弦形狀且沒(méi)有失真。在非連續空間矢量調制方案中，低電感電機預計會(huì )存在相電流失真，因為只有兩個(gè)相位會(huì )進(jìn)行脈寬調制。圖11展示了非連續 PWM 調制模式下的相電流波形與相電流快速傅里葉變換 (FFT)。圖12展示了連續 PWM 調制模式下的相電流波形與相電流 FFT。與非連續調制模式中的相電流波形相比，連續調制模式中的相電流波形會(huì )更加干凈，也更像正弦形狀。
圖11. 相電流波形與 FFT - 非連續 PWM 調制
圖12.相電流波形與 FFT - 連續 PWM 調制
（2）死區時(shí)間補償：
在半橋橋臂上，高側和低側 MOSFET 的開(kāi)關(guān)瞬間之間會(huì )存在死區時(shí)間，以避免發(fā)生電流擊穿。由于存在死區時(shí)間插入，相節點(diǎn)上的預期電壓與施加的電壓會(huì )因相電流方向而異。相節點(diǎn)電壓失真會(huì )在相電流中引入不必要的失真，進(jìn)而導致可聞噪聲。MCF8316C-Q1使用一項獲得專(zhuān)利的精密自動(dòng)死區時(shí)間補償技術(shù)，利用諧振控制器將相電流中的諧波分量控制為零，從而確保緩解死區時(shí)間導致的電流失真。Iq 和 Id控制路徑中都包含諧波控制器。圖13展示了禁用死區時(shí)間補償時(shí)的相電流波形與相電流FFT。圖 14展示了啟用死區時(shí)間補償時(shí)的相電流波形與相電流 FFT。在以下圖片中，PWM 輸出頻率設為 60 kHz，死區時(shí)間設為500ns。電機頻率為12Hz。如圖中電流波形的 FFT 所示（信號以粉色顯示），在啟用死區補償后，相電流波形變得更加干凈。
圖13. 相電流波形與 FFT - 禁用死區時(shí)間補償
圖14. 相電流波形與 FFT - 啟用死區時(shí)間補償
圖15. 禁用死區時(shí)間補償和啟用死區時(shí)間補償的對比
為了更好的對噪聲情況進(jìn)行衡量，使用手持式聲級計測量了聲學(xué)性能（以dBA為單位）。借助死區補償和連續 PWM 調制方案，在電機電氣頻率為 33Hz，可聞噪聲減少了 3.3 dBA。（MCF8316C-Q1基本性能與MCF8316A相同，MCF8316C-Q1在MCF8316A的基礎上進(jìn)行了更合理的優(yōu)化設計）。
圖16. 采用 MCF8316A 時(shí)的可聞噪聲比較（距離電機2cm處的測量數據）
需要強調的是噪音的大小與距離電機的距離緊密相關(guān)。點(diǎn)聲源聲傳播距離增加一倍，衰減值是6 dB，我們的測試條件是在距離電機2cm處進(jìn)行的測量，當距離電機50cm處測量時(shí)，電機的可聽(tīng)噪音將低于30dB，甚至更低。
(3) 可變換向方案（針對MCT8316Z-Q1無(wú)傳感器梯形控制）：
在可變換向方案中，MCT8316A 器件會(huì )根據電機頻率，在 120° 和 150° 梯形換向之間動(dòng)態(tài)切換。在較低速度下，該器件會(huì )以 150° 模式工作，而在較高速度下，則會(huì )切換至 120° 模式。在 120° 換向模式下，當電機相位因為儲存的電感電流而進(jìn)入高阻態(tài)狀態(tài)時(shí)，相電流中會(huì )出現轉矩紋波，進(jìn)而導致聲學(xué)噪聲。為了減少轉矩紋波的影響并改善聲學(xué)噪聲性能，MCT8316A 器件會(huì )在可變換向模式下延長(cháng) 120° 驅動(dòng)時(shí)間并在進(jìn)入高阻態(tài)前逐漸減少占空比，從而減小相電流。在此模式下，相位會(huì )在 30° 和 60° 之間處于高阻態(tài)，并且該窗口大小會(huì )根據速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，當窗口尺寸較小時(shí)，可以獲得理想的聲學(xué)性能。圖 17展示了 150° 換向模式下的相電流與電流波形 FFT。在 150° 換向模式中，相電流形狀更像正弦波形。
圖17. 相電流波形與 FFT - 120° 梯形換向
圖18. 相電流波形與 FFT - 150° 梯形換向
3. 利用實(shí)時(shí)控制加快系統響應和多種啟動(dòng)及運行功能
MCF8316C-Q1 是業(yè)內先進(jìn)的產(chǎn)品，可提供快速且受控的方式來(lái)主動(dòng)降低電機速度，使工程師能夠以比傳統電機控制技術(shù)快 50% 的速度關(guān)停電機。此外，該芯片可在關(guān)停電機時(shí)將能量有選擇地泵回電源軌，從而保護系統免受損壞。此外，MCT8316Z-Q1 無(wú)傳感器梯形控制電機驅動(dòng)器可以達到最大3.5kHz的電機頻率，比任何其他無(wú)需編程的無(wú)傳感器電機驅動(dòng)器都快。這在需要快速和精確電機控制的應用中加快了系統響應。
可靠的電機啟動(dòng)：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1通過(guò)對齊或初始位置檢測 (IPD)，可以準確檢測電機的轉子位置，確?？煽康碾姍C啟動(dòng)。初始速度檢測 (ISD)，支持在 10ms 以?xún)戎匦峦健?/p>
功率限制：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1具有功率限制功能，可防止電池出現電涌。負載突然變化會(huì )導致電機消耗更多電能并產(chǎn)生尖峰。功率限制功能會(huì )設置功率閾值以避免發(fā)生尖峰。這延長(cháng)了電池的使用壽命，從而使消費者不必更換器件。
主動(dòng)制動(dòng)和電機鎖定功能：檢測或預測轉子鎖定的能力有助于更大限度地減少功率損耗、器件故障或損壞。TI 的MCF8316C-Q1可在電機運行期間持續檢查不同的電機鎖定條件、并在檢測到鎖定事件時(shí)立即采取行動(dòng)。例如在吸頂屏應用中，若吸頂屏被異物卡住時(shí)，系統負載激增、這種情況會(huì )被系統判定為電機鎖定狀態(tài)、然后電機能夠向相反方向旋轉以松開(kāi)物體并繼續正常運行。
4. 減少70%的布板空間
MCF8316C-Q1和 MCT8316Z-Q1可幫助設計師縮小70%的布板空間，并降低電機系統的總成本。該芯片集成了三個(gè)柵極驅動(dòng)器和六個(gè)高側和低側 MOSFET，每個(gè)均具有 50mΩ 的導通電阻(高側加低側的RDS(ON) (HS + LS) 為95mΩ)。這兩個(gè)電機驅動(dòng)器還集成了例如低壓降（LDO）穩壓器、直流/直流降壓穩壓器和電流檢測放大器等元件，省去了18個(gè)分立式元件，進(jìn)一步降低了系統成本。
3. 有刷直流電機
有刷電機結構簡(jiǎn)單，發(fā)展時(shí)間長(cháng)，技術(shù)比較成熟，控制電路簡(jiǎn)單。直流有刷電機控制精度高，直流有刷電機通常與齒輪箱和編碼器配合使用，使電機的輸出功率更大，控制精度更高。但有刷直流電機運行噪音較大，且由于電刷的存在壽命較短。這就需要根據需要進(jìn)行權衡了。
對于旋轉屏和吸頂屏，有刷直流電機也是適用的。TI推薦使用完全集成式高功率密度電機驅動(dòng)器DRV8243-Q1減小系統尺寸。MSPM0 MCU 憑借其豐富的產(chǎn)品系列和模擬功能以及針對有刷直流電機控制優(yōu)化的軟件資源，可以充分發(fā)揮 H 橋結構的作用。想查看更多關(guān)于MSPMO MCU控制無(wú)刷電機的相關(guān)文檔，請點(diǎn)擊下面鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進(jìn)電機和有刷直流 (BDC) 電機實(shí)現優(yōu)化的 H 橋驅動(dòng)器控制 (Rev. A) (ti.com.cn)
DRV8243-Q1的特點(diǎn)及優(yōu)勢：
1. 減少系統尺寸和布板空間
在設計成本優(yōu)化型汽車(chē)系統時(shí)、需要重點(diǎn)考慮減小系統尺寸和減小布板空間。減小封裝尺寸并將功能集成到有刷直流驅動(dòng)器中、可減少外部元件數量、從而節省布板空間并降低成本。RV8243-Q1系列推出了汽車(chē)類(lèi) HotRodTM QFN封裝、尺寸下限為3mm x 4.5mm、是用于有刷直流驅動(dòng)的同類(lèi)產(chǎn)品中的超小封裝之一。
集成電流檢測：采用內部電流鏡架構和電流反饋引腳、無(wú)需外部電流檢測電阻器、從而節省布板空間并降低成本。
集成式場(chǎng)效應晶體管(FET)解決方案- DRV8243-Q1系列可輸出高達12A的驅動(dòng)電流。 借助支持中高電流的集成式解決方案、無(wú)需使用柵極驅動(dòng)器和外部FET、可節省布板空間和成本。
2. 先進(jìn)的故障保護和診斷功能
DRV8243-Q1芯片系列是首批在電機驅動(dòng)器處于開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)都能提供開(kāi)路負載檢測和短路保護的芯片。即使H橋處于關(guān)閉狀態(tài)、該功能也有助于避免電機驅動(dòng)器損壞或出現異常的故障。
SPI 界面給出保護設定和詳細故障診斷，旨在確定故障的類(lèi)型及其位置，通過(guò)所提供得電機驅動(dòng)器故障問(wèn)題根源，可節省設計人員排除修改故障的時(shí)間。
3. 采用可擴展驅動(dòng)器優(yōu)化設計時(shí)間
DRV8243-Q1系列的 H 橋和半橋驅動(dòng)器支持設計重復使用、可在汽車(chē)系統中擴展不同負載。 該器件系列具有相似的固件、功能和封裝引腳排列、支持在各種負載和電流范圍內重復使用、有助于縮短設計時(shí)間。除了具有相似固件外、DRV8243-Q1和 DRV8244-Q1引線(xiàn)式封裝還具有引腳對引腳兼容性、因此在按比例調高或調低功率級別時(shí)更容易插入和更換這些器件。
MSPM0 為什么適用于步進(jìn)電機和有刷直流電機控制？
TI 的可擴展 M0+ MSPM0Lx 主流 MCU 具有片上電機控制外設，可為各種電機控制應用提供設計。MSPM0Lxxx 器件具有高達 32MHz 的 CPU 速度和 8KB 至 64KB 的閃存產(chǎn)品系列以及可擴展的模擬集成和電機控制外設，可用于步進(jìn)電機和有刷直流電機設計。
圖19. MSPM0L系列
● 32MHz M0+ CPU – 減少控制和檢測信號的處理時(shí)間
● 1MSPS 12 位 ADC 模塊（多達 10 個(gè)通道）– 檢測 H 橋電流
● 兩個(gè)零溫漂斬波運算放大器 – 精確放大雙路 H 橋電流
● 高速比較器 – 為電機實(shí)現快速電流保護
● 四個(gè)通用計時(shí)器 – 靈活的 PWM 控制和交叉觸發(fā)器
– 同步和交叉觸發(fā)器，用于生成多相電機控制 PWM
– 多達 8 個(gè) PWM（可以驅動(dòng) 4 個(gè) BDC 電機或 2 個(gè)步進(jìn)電機）
● 具有毛刺干擾濾波器的穩健 IO 設計 – 提供在電機噪聲下可靠運行的系統
● 全面的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI，可滿(mǎn)足電機控制系統的所有通信要求。
● 具有引腳對引腳兼容器件的可擴展 MCU 產(chǎn)品系列涵蓋了各種閃存選項。
● 小尺寸封裝適用于空間受限的設計。
MSPM0 在有刷直流電機控制中有什么作用？
在有刷直流應用中，MSPM0 可以監控電機狀態(tài)，運行算法并生成 PWM 來(lái)驅動(dòng)電機（通過(guò)前置驅動(dòng)器器件）。借助可擴展的模擬集成，MCU 可以快速計算出總線(xiàn)電壓、電機電流和轉速的準確值，然后為控制算法提供輸入。MSPM0L13xx 可以生成 8 個(gè) PWM，因此可以同時(shí)驅動(dòng) 4 個(gè) BDC 電機。
圖20. 用于有刷直流電機控制的 MSPM0L13xx 電機控制方框圖
4. 步進(jìn)電機
步進(jìn)電機是一種將脈沖信號轉化為機械角位移或者線(xiàn)位移的控制電機, 它能夠在不涉及復雜反饋環(huán)路的情況下實(shí)現良好的定位精度，并由于具有價(jià)格低廉、易于控制、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn),在需要高精度控制的場(chǎng)合中中獲得了廣泛的應用，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
步進(jìn)電機是一種將數字脈沖信號轉化為機械角位移或者線(xiàn)位移的數模轉換控制電機。當步進(jìn)電機驅動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖之后就驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。所以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制步進(jìn)電機轉動(dòng)的角位移，達到精確定位的目的。步進(jìn)電機動(dòng)態(tài)響應快，易于啟動(dòng)、停止和反轉，無(wú)累積誤差，并在停止時(shí)能自鎖，這些使其非常適合用于旋轉屏應用。但步進(jìn)電機在低速轉動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲都比較大。
對于旋轉屏和吸頂屏，有刷直流電機也是適用的。TI推薦使用完全集成的步進(jìn)電機驅動(dòng)器DRV8889-Q1，可節省布板空間和系統成本。MSPM0 MCU 憑借其豐富的產(chǎn)品系列和模擬功能以及針對步進(jìn)電機控制優(yōu)化的軟件資源，可以充分發(fā)揮 H 橋結構的作用。想查看更多關(guān)于MSPMO MCU控制步進(jìn)電機的相關(guān)文檔，請點(diǎn)擊下面鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進(jìn)電機和有刷直流 (BDC) 電機實(shí)現優(yōu)化的 H 橋驅動(dòng)器控制 (Rev. A) (ti.com.cn)
DRV8889-Q1是完全集成的步進(jìn)電機驅動(dòng)器，可支持高達1.5A的滿(mǎn)量程電流，先進(jìn)的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達1/256級微步進(jìn)，以實(shí)現平滑的運動(dòng)軌跡。集成電流感應功能消除了對兩個(gè)外部電阻的需求，從而節省布板空間和成本。
DRV8889-Q1 集成了電機電流感應和高級電路，可幫助在微步進(jìn)期間檢測失速。利用先進(jìn)的失速檢測算法，設計人員可以檢測到電機是否停止運行，并根據需要采取措施，從而提高效率并減少噪聲。
由于電機線(xiàn)圈由脈寬調制 (PWM) 信號驅動(dòng)，因此 EMI 確實(shí)會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題。DRV8889-Q1 還包含可編程壓擺率控制和擴頻技術(shù)，以幫助降低 EMI。
MSPM0 在步進(jìn)電機控制中有什么作用？
在步進(jìn)應用中，MSPM0 可以：
● 監控電機狀態(tài)（可選）
● 運行 BDC 或步進(jìn)電機控制算法
● 與柵極驅動(dòng)器通信，以設置驅動(dòng)器或微步進(jìn)設置（可選）
● 生成 PWM 以驅動(dòng)電機（通過(guò)預驅動(dòng)器器件）。
借助可擴展的模擬集成，MCU 可以快速計算總線(xiàn)電壓、電機電流和轉速的準確值，然后為控制算法提供輸入。MSPM0L13xx 可以生成多達 8 個(gè) PWM 信號，因此可以同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機。
使用帶 PWM 接口的步進(jìn)驅動(dòng)器的 MSPM0 步進(jìn)控制
基本步進(jìn)驅動(dòng)器通常使用 PWM 接口進(jìn)行步進(jìn)控制，其中特定的 PWM 模式可以在控制步進(jìn)電機位置的同時(shí)提供扭矩控制。為此，MSPM0 提供 4 個(gè) PWM 輸入信號，使用全步進(jìn)或半步進(jìn)換向模式來(lái)控制通過(guò)步進(jìn)電機相位的相應電流。
此外，許多步進(jìn)驅動(dòng)器包括來(lái)自模擬輸入信號的電流調節，這可以使用來(lái)自集成比較器的 MSPM0 的 8 位 DAC 輸出來(lái)提供，以使電流曲線(xiàn)變得平滑。該拓撲適用于玩具、智能鎖、機器人和安全攝像頭等高扭矩或低精度步進(jìn)應用。
圖20. 使用帶 PWM 接口的步進(jìn)驅動(dòng)器的 MSPM0L1xxx 步進(jìn)電機控制
5. 用于HUD應用的電機驅動(dòng)器
對于IVI系統，利用微型步進(jìn)電機或有刷直流電機驅動(dòng) HUD屏并實(shí)現翻轉，可智能控制顯示屏翻轉的角度，滿(mǎn)足不同身高的用戶(hù)觀(guān)看HUD顯示屏的顯示需求。
TI推薦用于HUD的明星產(chǎn)品為步進(jìn)電機驅動(dòng)器DRV8889-Q1和有刷電機驅動(dòng)器DRV8876-Q1.
DRV8889-Q1是完全集成的步進(jìn)電機驅動(dòng)器，可支持高達1.5A的滿(mǎn)量程電流，先進(jìn)的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達1/256級微步進(jìn)，以實(shí)現平滑的運動(dòng)軌跡。集成電流感應功能消除了對兩個(gè)外部電阻的需求，從而節省了布板空間和成本。利用先進(jìn)的失速檢測算法，設計人員可以檢測到電機是否停止運行，并根據需要采取措施，從而提高效率并減少噪聲。通常W-HUD和AR-HUD采用步進(jìn)電機驅動(dòng)器DRV8889-Q1。通常C-HUD既有使用步進(jìn)電機驅動(dòng)DRV8889-Q1，也有使用直流有刷電機驅動(dòng)DRV8876-Q1。
圖21.AR-HUD
圖22. C-HUD
TI電機控制器芯片涵蓋整個(gè)汽車(chē)電機控制領(lǐng)域。一些終端應用的明星產(chǎn)品目錄如下：
表4. 汽車(chē)領(lǐng)域明星產(chǎn)品目錄:
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