使用集成的 FOC 电机控制装置和先进的传感器减少电动汽车里程焦虑并提高安全性
发布时间：2022-2-8 09:54
发布者：eechina
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电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV)（通常称为 xEV）系统的设计者面临着持续的压力，要求每次充电提供更多的里程，以减少里程焦虑和降低车辆碳排放。同时，他们需要增加更多的电机、传感器、相关电子器件、处理器和软件，以满足更高水平的车辆自主性、用户功能和安全性，同时也要降低成本。 用于门、窗、电池冷却风扇、散热器风扇和泵以及其他功能的电机就是一个特别棘手的问题，因为它们不仅增加了重量，还需要先进的控制算法，如磁场定向控制 (FOC)，以尽量减少噪音和功耗，同时确保平稳响应。由于需要同时满足 ISO 26262 功能安全要求和 AEC-Q100 质量标准，因此整个系统设计任务变得非常复杂。 为了应对这些挑战，设计者可以寻求采用各种符合车规要求的器件，这些器件拥有更高的硬件和软件水平，简化了各种功能的设计和集成，同时也减少了零件数量和总体空间占地。 本文讨论了电动汽车和混合动力汽车设计者所面临的问题。然后，介绍并展示了如何使用高度集成的 FOC 无刷直流 (BLDC) 电机控制器和相关评估板来启动高效的 EV/HEV 电机设计。最后还展示了各种监测电流、3D 位置、速度和方向的传感器，所有这些都来自一家叫 Allegro MicroSystems 的厂商。 电动汽车面临的成本、安全和里程焦虑问题 xEV 的设计者必须解决的问题很多，包括车辆成本、安全性和可靠性——尤其是在车辆自主性水平不断提高的情况下，每次充电的行驶里程（里程焦虑）和电池组寿命。 为了获得安全性和可靠性，需要先进的传感器来满足 ISO 26262 中定义的高级驾驶辅助系统 (ADAS) 功能的要求。为了降低成本和提高里程，设计者已经转向使用高达 800 伏的高电压电源轨，以提高效率和减少电缆重量，同时也在利用电池组设计改进。 例如，改进电池热管理有助于提高行驶里程和延长电池寿命，而改进电动汽车和混合动力汽车牵引逆变器的冷却则有助于提高功率和能量密度并减轻重量。 虽然随着半导体器件集成度越来越高，使得在更小的重量和空间下实现了更多的功能，但必须严控必要冷却风扇所需的无刷直流电机，以优化效率。为了实现这一目标，在电机控制器栅极驱动器上包括先进的电机控制算法，如 FOC，是非常有用的。 高性能冷却 FOC 可以使电机在整个速度范围内平稳运行，并且可以在启动时产生全扭矩。此外，FOC 可以提供快速而平稳的电机加速和减速，这一特性对于高性能运动应用中的精确控制非常有用。FOC 可用于开发高效、紧凑和安静的低压 (LV)（50 伏及以下直流）驱动器，适合最高 500 瓦的高性能 BLDC 电机系列。这些电机通常用于 xEV 高压 (HV) 电池冷却风扇，以及加热通风和空调 (HVAC) 风机和高压牵引变频器冷却系统的液体泵（图 1）。 
图 1：FOC 电机控制器可以使用低压电池电源来冷却 xEV 高压电池和高压牵引逆变器。（图片来源：Allegro MicroSystems） 在传统设计中，FOC 是通过外部传感器使用微控制器来实现的。这些设计称为直接 FOC，可能很复杂，而且由于依赖外部传感器来测量电机的运行参数，往往会出现动态响应降低问题。 通过取消外部传感器，可以实现性能更好、成本更低的 FOC。 要实现 FOC ，仍然需要来自缺失传感器的信息，并且可以从电机终端的电压和电流中提取电机绕组中的反电动势 (BEMF)。虽然硬件比较简单，但无传感器 FOC 的实现需要更复杂的控制软件。 无传感器的 FOC 算法可以实现最高的效率和动态响应，同时最大限度地减少声学噪音。它还为电机处于静止状态时提供了强大的开环启动，此时没有 BEMF 信息可用。 用于汽车冷却风扇和泵的简易 FOC 虽然大多数 FOC 无刷直流驱动器需要软件开发人员编写并将算法移植到微处理器或微控制器中，但 Allegro MicroSystems 的 A89307KETSR-J 将无传感器 FOC 算法直接集成到了栅极驱动器中。A89307KETSR-J 只有五个外部无源元件（四个电容和一个电阻），最大限度地减小了物料清单 (BOM)，提高了可靠性，并降低了设计复杂性（图 2）。 
图 2：典型的 A89307KETSR-J xEV 电池组冷却风扇应用电路显示了五个外部元件：四个电容和一个电阻。（图片来源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 栅极驱动器工作电压为 5.5 至 50 伏直流。集成的 FOC 算法包括恒定扭矩和恒定功率，以及开环和恒定速度工作模式。A89307KETSR-J 包括用于脉冲宽度调制 (PWM) 或时钟模式速度控制、制动和方向的输入，以及用于故障条件和电机速度的输出信号（图 3）。 
图 3：A89307KETSR-J 的内部框图显示了 FOC 控制器（中间）、PWM 或时钟模式速度控制 (SPD)、刹车 (BRAKE) 和方向 (DIR) 输入（左边），以及故障 (FAULT) 和电机速度 (FG) 输出（也在左边）。（图片来源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 经过优化，可驱动外部低导通电阻 N 沟道功率 MOSFET。它可以提供快速开启和关闭 MOSFET 所需的大峰值驱动电流，以尽量减少开关期间的功率耗散，提高运行效率并减少热管理问题。它提供多种栅极驱动水平，能够让设计人员优化电磁干扰 (EMI) 辐射和效率之间的权衡。MOSFET 的快速导通减少了开关损耗，但增加了 EMI，而较慢的 MOSFET 导通则减少了EMI，其代价是增加开关损耗和降低效率。 电机速度可以通过 PWM、模拟或 CLOCK 输入来控制。此外还有闭环速度控制选项，且每分钟转数 (RPM) 与时钟频率之比可编程。无传感器启动控制包括正向和反向预旋转（风车）检测和同步，使得 A89307KETSR-J 能够在广泛的电机和负载配置范围内运行。 Allegro MicroSystems 的非返向启动算法也提高了启动性能。上电后电机将以正确的方向启动，没有反向振动或摇晃。软启动-软关闭功能在“开启”指令下逐渐增加电机的电流（风车状态），在“关闭”指令下逐渐减少电机的电流，进一步降低了声音噪音（图 4）。 
图 4：A89307KETSR-J 的软“启动”（上）和软“关闭”（下）的电流波形使得电机运行平稳，降低了声学噪音。（图片来源：Allegro MicroSystems） A89307KETSR-J 包括一个 I2C 接口，用于设置电机额定电流、电压、速度、电阻和启动曲线。I2C 还实现了开/关和速度控制，以及速度反馈和故障信号。 无传感器 FOC 评估板 设计者可以使用 APEK89307KET-01-T-DK 评估板和相关软件来加快使用 A89307KETSR-J 开发基于 FOC 的 BLDC 电机驱动器（图 5）。该板包括 A89307KETSR-J，可访问所有输入和输出引脚，外加一个完整的三相功率级，用于驱动 BLDC 电机。设计者可以使用一个简单的图形用户界面 (GUI) 选择 FOC 驱动参数，并将其加载到片上 EEPROM 中。A89307KETSR-J 物料需要最小，使得驱动器的设计可以安装在电机外壳内，进一步减少了解决方案的尺寸。 
图 5：APEK89307KET-01-T-DK 评估板上有 A89307KETSR-J（U1，位于板子中间左侧）和六个功率 MOSFET（右侧）来驱动一个 BLDC 电机。（图片来源：Allegro MicroSystems） 用于 ADAS 的传感器 xEV 系统的设计者需要检测电机驱动器、DC-DC 转换器和逆变器中的电流水平，节流阀和气缸的旋转位置，以及变速器中齿轮的速度和方向，以实现紧凑而经济的 ADAS 功能。Allegro MicroSystems 为 ADAS 提供了各种传感器解决方案，包括： 电流检测：ACS72981KLRATR-150B3 为设计者提供了经济而精确的交流或直流电流检测能力。这种高精度线性霍尔效应电流传感器的带宽为 250 千赫兹 (kHz)，旨在用于电机控制、DC-DC 转换器控制、逆变器控制以及负载检测和管理。它是一个符合 AEC-Q100 标准的 IC，响应时间 <2 微秒 (μs)，支持安全关键型应用的快速过流故障检测需求。 3D 位置检测：使用 Allegro MicroSystems 的 A31315LOLATR-XY-S-SE-10 3DMAG IC，可以快速实现用于节气门、阀门、气缸和变速器位置检测的非接触式线性和旋转 3D 磁性位置检测。该器件可以测量水平和垂直平面上的旋转运动，并测量横向或前后线性运动（图 6）。 
图 6：A31315LOLATR-XY-SE-10 3D 位置传感器可以测量水平和垂直平面的旋转运动，并测量横向或前后的线性运动。（图片来源：Allegro MicroSystems） A31315LOLATR-XY-S-SE-10 传感器为设计者提供了比率式模拟、PWM 或 SAE J2716 单边半字节传输 (SENT) 输出格式的选择。它的开发是为了满足安全相关型汽车系统中 ISO 26262 ASIL B（单芯片，SOIC-8 封装）和 ASIL D（冗余双芯片，TSSOP-14 封装）的能力。 速度和方向：ATS19520LSNBTN-RSWHPYU 是一种耐振动、差动霍尔效应传动速度和方向齿轮齿传感器，有正向和反向感应型号（图 7）。 
图 7：所示 ATS19520 的 "F" 型变体能够测量齿轮齿从引脚 1 到引脚 3（顶部）通过时的正向旋转以及齿轮齿从引脚 3 到引脚 1（底部）通过时的反向旋转。"R" 变型则测量相反方向的旋转。（图片来源：Allegro MicroSystems） ISO 26262 ASIL B 级传感器具有集成诊断功能，适合用于 xEV 驱动系统。三引脚单列直插式封装 (SIP) 包括一个集成的背部偏移磁铁，用于测量旋转的含铁目标的速度和方向，以及一个集成电容器，以确保电磁兼容性。 结语 集成无传感器 FOC 无刷直流电机驱动器以及电流传感器、磁性位置传感器和旋转传感器，是设计具有更大里程数和更低碳排放的高效和安全型 xEV 的关键组件。特别是，使用 FOC 电机驱动器，可以设计出更高效、更安静的冷却系统，并改善电池组和牵引逆变器的动态响应。就其本身而言，紧凑、精确和节能的传感器对于开发满足高级驾驶辅助系统可靠性要求和 ISO 26262 功能安全要求的 xEV 至关重要。 来源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
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