【導(dǎo)讀】隨著汽車系統(tǒng)中傳統(tǒng)的機械化設(shè)計被電子化設(shè)計逐漸取代，電機在汽車電子化系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要。例如在汽車的動力系統(tǒng)中，由傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機逐步發(fā)展為現(xiàn)在的有刷同步電機、感應(yīng)電機，真正的實現(xiàn)了新能源車的動力革命；傳統(tǒng)的機械式汽車底盤也逐步發(fā)展成智能電子底盤，用來配合自動駕駛功能的實現(xiàn)。
隨著汽車系統(tǒng)中傳統(tǒng)的機械化設(shè)計被電子化設(shè)計逐漸取代，電機在汽車電子化系統(tǒng)中扮演的角色越來越重要。例如在汽車的動力系統(tǒng)中，由傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機逐步發(fā)展為現(xiàn)在的有刷同步電機、感應(yīng)電機，真正的實現(xiàn)了新能源車的動力革命；傳統(tǒng)的機械式汽車底盤也逐步發(fā)展成智能電子底盤，用來配合自動駕駛功能的實現(xiàn)。此外，車身上還有許多電機用來增加駕乘人員的舒適性和安全性。據(jù)不完全統(tǒng)計，以往普通的燃油車上平均的電機數(shù)量在20-40個左右，而在新能源汽車上這一數(shù)字增長到100-150個，在高端的新能源汽車車型上電機數(shù)量會更高，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，車用電機在未來都會有巨大的增長空間。
汽車上的電機有哪些種類區(qū)分，都有哪些特點，每種電機的驅(qū)動方式又是如何？本文詳細為您解讀。
汽車中主要的電機類型汽車上的電機除了大功率的交流電機以外，從幾W到幾百W的直流電機是其中主要的角色，在汽車電機中占有很高的比例。直流電機一般分為兩相直流有刷電機、三相直流無刷電機以及步進電機。直流有刷電機采用機械換向原理，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)生滑動摩擦?xí)μ妓⒃斐蓳p耗，因此直流有刷電機的壽命相較于直流無刷電機會短很多。此外，直流有刷電機在旋轉(zhuǎn)的時候會產(chǎn)生電火花，且產(chǎn)生的電磁波也會干擾到其他設(shè)備。直流有刷電機的優(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、半橋驅(qū)動或者全橋驅(qū)動，配合PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)速來實現(xiàn)直流有刷電機的驅(qū)動和調(diào)速。直流有刷電機有并激、串激和復(fù)激等不同的種類，串激式直流有刷電機可以實現(xiàn)比較快速的啟動大扭矩，并激式直流有刷電機可以實現(xiàn)較好的速度控制。直流有刷電機主要應(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、電動座椅、鎖扣、駐車系統(tǒng)等。直流無刷電機（BLDC）的工作原理主要是通過電子換向來實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動。因為直流無刷電機本身沒有電刷的存在，它的壽命遠高于直流有刷電機，同時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，另外無刷電機可以配合編碼器實現(xiàn)更加精準的速度和位置環(huán)的控制。但是無刷直流電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，驅(qū)動電路和算法也相應(yīng)的更加復(fù)雜，因此成本會高于直流有刷電機。在汽車上，無刷直流電機一般應(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類型是步進電機，由于其特性和直流有刷電機比較類似，在低速情況有較大的力矩，并能夠通過脈沖數(shù)來實現(xiàn)精準的開環(huán)角度控制，步進電機一般被看作精度較高的直流有刷電機。在汽車上步進電機主要應(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用來滿足不同場景的需求，直流有刷電機以其較高的性價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。接下來，詳細介紹汽車中使用直流電機的主要場景。
汽車中使用直流電機的主要場景在汽車上使用直流電機的場合主要有智能底盤和車身控制兩個部分。智能底盤中的主要部件都是使用直流電機，包括有刷和無刷，使用的電機功率等級不同，所涉及的驅(qū)動方式也有所區(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，再通過有刷電機壓縮或拉長空氣彈簧，以此來實現(xiàn)汽車底盤的降低和升。空氣懸架中使用的直流電機功率一般在20A以上，利用H橋預(yù)驅(qū)加上分立MOS管的方案來實現(xiàn)對電機的驅(qū)動。由于有刷電機的慣性力矩會隨著輸出電機功率的增加而增大，其轉(zhuǎn)向操作靈敏度隨之變差，因此在電子助力系統(tǒng)（EPS）中使用的電機逐步從直流有刷電機轉(zhuǎn)向無刷電機，以此來解決慣性力矩的問題。電機的額定功率基本在30A以上，達到70A左右，并采用三相無刷預(yù)驅(qū)配合MOS管來實現(xiàn)電機驅(qū)動。電子駐車取代了傳統(tǒng)的機械手剎式系統(tǒng)，目前在汽車上已經(jīng)非常普遍。在電子駐車系統(tǒng)中一般會有兩個直流有刷卡鉗電機，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)置一個換擋電機來配合變速箱的齒輪變速，一般使用10A以內(nèi)的無刷電機，常見的驅(qū)動方式為內(nèi)置MOS管H橋驅(qū)動芯片。One Box系統(tǒng)中包括一個永磁同步電機和有刷卡鉗電機，其中永磁同步電機的電流在40A左右，甚至超過100A。卡鉗電機的電流一般在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)動方案來進行電機的驅(qū)動。車身控制也是直流電機的主要應(yīng)用場景，由于直流有刷電機本身的驅(qū)動成本較為便宜，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占比較高。
作為電動座椅的動力源，汽車座椅的電機主要是永磁直流式電機，額定電流一般都在10A以上，由于電動座椅需要配備的電機數(shù)量較多，所以一般采用多通道預(yù)驅(qū)加MOS管的方式來進行驅(qū)動。此外，配備通風(fēng)風(fēng)扇的電動座椅所需的電機，功率一般在10幾W到20幾W，通常采用一體式BLDC驅(qū)動芯片來驅(qū)動。電動門內(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，驅(qū)動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)動來實現(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，使用預(yù)驅(qū)外加MOS管的驅(qū)動方式。另外后視鏡、充電口、鎖扣等場景中采用的小電流電機，因為功率比較小，主要使用內(nèi)置MOS管的H橋驅(qū)動方案。
直流有刷電機的驅(qū)動方式
電機的驅(qū)動方式一直在演變，從過去的繼電器到現(xiàn)在帶診斷功能、帶保護的全集成芯片方案，可以實現(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)動方案中，由于采用機械式的觸點開關(guān)，在開關(guān)的時候可能會產(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)動開關(guān)，一般需要幾十毫安的電流，這個是遠高于驅(qū)動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，空間擺放也是一個問題。 ，繼電器的功能比較單一，只是簡單的一個開動和關(guān)斷的功能。電機感性負載容性負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)動方式所取代。電子驅(qū)動方式一方面可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，速度可調(diào)，還帶有比較簡單的保護功能，例如回路上的過流保護。另外，高邊的驅(qū)動方式從以前的自舉電容演變成現(xiàn)在類似電荷泵的驅(qū)動方式，這樣面積會更小，也可以做到有效的開通。這種電子驅(qū)動方式相較于繼電器可以大大減少體積，節(jié)省驅(qū)動功耗，同時也帶有基本的保護功能，使用起來更加靈活。隨著芯片工藝的迭代，可以在單個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。因為在域控制器里，需要將多個驅(qū)動集成在一起，所以降低熱阻是非常重要的。另外，驅(qū)動器集成了更多運放、比較器等，因此驅(qū)動器可以帶有更多的保護，包括過流、過壓、欠壓、反過溫等等，可以大大減低驅(qū)動器本身以及外部負載損壞的機率，使用上更加靈活，通過SPI或I2C等不同配置來驅(qū)動除電機之外的感性、容性或存儲性的負載。在部分高端的驅(qū)動器里，甚至還可以有SPI診斷，把當前出現(xiàn)的故障狀態(tài)，通過寄存器進行上報，這樣可以實現(xiàn)更高的功能安全等級。在一些驅(qū)動芯片里甚至還集成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)動芯片產(chǎn)品
類比汽車級電機驅(qū)動產(chǎn)品目前有已經(jīng)量產(chǎn)的單通道驅(qū)動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管可以實現(xiàn)從幾W到幾百W的功率驅(qū)動。正在開發(fā)的多通道直流有刷電機預(yù)驅(qū)DR718系列主要應(yīng)用于多電機的場合，同時也更符合域控制發(fā)展趨勢對集成多通道的單芯片驅(qū)動方案的需求。內(nèi)置MOS管的直流有刷電機預(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，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等使用無刷電機的場合。DR70x直流有刷電機驅(qū)動系列產(chǎn)品主要有DR702Q、 DR703Q 和DR704Q三個型號。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警信息，方便系統(tǒng)獲得電機工作的實時狀態(tài)并實現(xiàn)更高的功能安全等級。相較于DR703Q， DR704Q進一步增加了過壓保護功能，離線負載檢測功能以及電流檢測共模點可配等檢測功能。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，睡眠功耗可以達到3.3μA。另外，DR70x系列產(chǎn)品還支持驅(qū)動電流的設(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)品支持豐富的保護功能，包括供電電壓的過壓、欠壓保護、Vgs門級鉗位以及對外部MOS的VDS退飽和保護和過溫保護等，對芯片本身和外部的MOS管都有綜合的保護機制。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)動不同功率等級的電機，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)中的電機都可以進行驅(qū)動。同時，由于具有較高的靈活度，DR70x產(chǎn)品還可以實現(xiàn)高低邊驅(qū)動功能。05
DR703Q產(chǎn)品性能表現(xiàn)
VM Pumping是電機驅(qū)動中比較常見的現(xiàn)象，主要發(fā)生在電機突然降速或者剎車時，此時VM上的電壓會突然升高，有可能燒壞驅(qū)動芯片或MOS管。DR703Q采用高耐壓MOS管來進行硬件設(shè)計，其VM管腳直流耐壓可以達到55V。實際測試表明，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VM管腳電壓超過36V時，芯片會進入閉鎖模式、自動復(fù)位模式、報警模式以及完全關(guān)閉模式四種保護模式中的一種，具體進入哪種模式由客戶根據(jù)使用需求來自行配置。電機在啟動或堵轉(zhuǎn)時，由于反向電動勢約等于零，流過電機繞組的電流非常大，作為驅(qū)動需要限制電流來保護電機和相關(guān)電路。DR703Q支持電流限流功能，能有效實現(xiàn)啟動及堵轉(zhuǎn)等場景下的限流保護。DR703Q對于外部MOS管的門級驅(qū)動電流可以分別獨立進行電流設(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)動效率（化開關(guān)損耗）和更好的EMI性能間進行平衡，而無需更改硬件設(shè)置。
DR70x應(yīng)用實例
目前，DR70x已經(jīng)向主機廠商和Tier1客戶批量供貨，并實際應(yīng)用在EPB、電門模塊、電動尾門、天窗以及電動座椅等場景中。
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