Nicole?Navinsky? （德州儀器（TI）馬達(dá)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)線市場經(jīng)理） 

方? 舟? （德州儀器（TI）馬達(dá)驅(qū)動(dòng)與電機(jī)控制相關(guān)應(yīng)用與產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理）

摘? 要：介紹了工業(yè)、三相無刷和步進(jìn)電機(jī)、汽車領(lǐng)域電機(jī)的應(yīng)用動(dòng)向，及TI的新芯片產(chǎn)品及解決方案。 

關(guān)鍵詞：電機(jī)；控制；三相無刷；步進(jìn)電機(jī)；集成

1  電機(jī)的應(yīng)用動(dòng)向 

不同的電機(jī)使用場景對電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的要求不盡相同。 

1）在工業(yè)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，包括變頻器、伺服 和機(jī)器人等。這些工業(yè)領(lǐng)域中電機(jī)控制系統(tǒng)對電機(jī)的運(yùn)行效率、運(yùn)動(dòng)控制速 度、精度、可靠性、功率密度和智能化要求會(huì)越來越高。工業(yè)4.0系統(tǒng)需求讓電機(jī)控制系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)執(zhí)行單元，還需要承擔(dān)更多的監(jiān)控、信息采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能。通過工業(yè)以太網(wǎng)，將終端生產(chǎn)指令在電機(jī)控制單元快速執(zhí)行，生產(chǎn)過程無縫同步、多軸協(xié)同。同時(shí)在這個(gè)過程中，可以收集大量的數(shù)據(jù)，以優(yōu)化生產(chǎn)流程，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行可預(yù)測性診斷與防護(hù)。 

2）三相無刷和步進(jìn)電機(jī)通常用于紡織、家電、 打印機(jī)、3D打印、電動(dòng)滑板等應(yīng)用場景。更小、更安靜、更可靠是主要發(fā)展趨勢。三相無刷電機(jī)提供更快的反饋速度、更高的效率、更長的使用壽命、更低的噪聲，已經(jīng)在電動(dòng)工具、機(jī)器人、風(fēng)扇等應(yīng)用中逐步開始替換傳統(tǒng)的直流電機(jī)，市場占有率越來越高。傳統(tǒng)的三相無刷和步進(jìn)電機(jī)方案需要使用主控MCU、分立驅(qū)動(dòng)和功率Si MOSFET分立方案，尺寸大而且設(shè)計(jì)難度較高。目前主流全集成SoC方案包含電機(jī)控制算法、驅(qū)動(dòng)和功率器件，可以幫助客戶快速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并且使客戶更專注在產(chǎn)品功能的打磨，而節(jié)省客戶花費(fèi)在電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。 

3）在汽車領(lǐng)域，有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也展現(xiàn)出令人興奮的發(fā)展。腰部支撐、座椅高度調(diào)節(jié)和座椅冷卻/加熱曾被認(rèn)為是豪華功能，現(xiàn)在也逐漸進(jìn)入到主流車型中。 如今，僅僅是為駕駛員和乘客的前排座椅移動(dòng)和舒適性而設(shè)計(jì)的方案就包含10個(gè)以上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 

在傳統(tǒng)方案中，汽車制造商使用大型繼電器來驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī)，現(xiàn)在許多制造商正轉(zhuǎn)向全集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是能夠控制電機(jī)速度，利用集成保護(hù)功能，減小尺寸和噪聲，以及提高可靠性。使用了電機(jī)集成電路方案，車窗開始具有高級功能，包括速度控制和防夾功能。

2  TI的芯片動(dòng)向 及解決方案

TI豐富的產(chǎn)品線正好能夠提供電機(jī)控制方案所有關(guān)鍵應(yīng)用的核心，包括主控DSP方案、驅(qū)動(dòng)器、IGBT和 SiC驅(qū)動(dòng)器、電流隔離采樣、隔離器、全集成三相電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器、GaN功率管等。 

具體地，作為電機(jī)控制的核心，TI C2000系列產(chǎn)品持續(xù)提高主頻，并集成了高速ADC、高精度PWM，幫助電機(jī)控制算法達(dá)到更高電流閉環(huán)、速度環(huán)帶寬。 

另外，數(shù)據(jù)顯示^[1]在2019年，傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)第一次出現(xiàn)了下 降，工業(yè)以太網(wǎng)成長逐漸超過傳統(tǒng)RS485和CAN等工業(yè)現(xiàn)場總線。TI C2000 最新F2838系列產(chǎn)品中， 第一次在內(nèi)部集成工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議Ethercat以滿足工業(yè)4.0對通信帶寬日益增長的要求，能夠使用單芯片完成總線型變頻器與伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。另外TI Sitara 產(chǎn)品線同時(shí)也在積極布局多總線協(xié)議，例如Profinet、 EthernetIP、CC-link等。 

隨著工業(yè)電機(jī)控制器尺寸越來越小，功率密度隨之增加。更小的空間帶來了更嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括發(fā)熱、EMI和穩(wěn)定性。業(yè)界領(lǐng)先的開發(fā)商開始使用全新的功率器件像GaN和SiC來解決這些問題。TI提供GaN 產(chǎn)品LMG3410集成GaN功率管和驅(qū)動(dòng)方案，幫助客戶克服GaN高頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的難關(guān)。最新一代的驅(qū)動(dòng)芯片UCC2351x和 UCC2171x系列產(chǎn)品，將驅(qū)動(dòng)芯片工作環(huán)境溫度推高到120 ℃以上，最大的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到10 A。 最新隔離采樣方案AMC3301在一個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)隔離 ADC和隔離供電的功能。這些最新方案幫助客戶解決了 EMI、芯片散熱、方案尺寸等極其挑戰(zhàn)的問題。 

在步進(jìn)電機(jī)控制領(lǐng)域，TI的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成先進(jìn)的智能調(diào)整技術(shù)，它可以自動(dòng)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)電流衰減模式，降低噪音，同時(shí)提高效率，最高可降低10 ℃電機(jī)運(yùn)行溫度。最新的適用于汽車行業(yè)的步進(jìn)電機(jī) DRV8889-Q1，不僅包含TI的智能調(diào)整技術(shù)，而且它還具有失速檢測功能。在電動(dòng)車智能前照燈系統(tǒng)中，失速 檢測算法可以檢測到電機(jī)何時(shí)到達(dá)端點(diǎn)或撞上物體。這兩個(gè)功能都將幫助工程師顯著降低車燈由一個(gè)端點(diǎn)運(yùn)行到另一端終點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲。 

1）工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)方案

在方案設(shè)計(jì)過程中，提供單一芯片遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，當(dāng)用戶需要搭一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，如果完全從零開始進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)會(huì)比較困難。TI還針對馬達(dá)控制系統(tǒng)應(yīng)用推出有針對性的完整參考方案，包括變頻器控制，伺服控制，線性電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，三相無刷電機(jī)，編碼器等?？蛻艟涂梢韵翊罘e木一樣模擬出一個(gè)系統(tǒng)，從而大幅降低原型機(jī)的開發(fā)成本。比如在TI電機(jī)控制系統(tǒng)解決方案網(wǎng)站上，可以看到專門為高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的絕對值編碼器方案TIDA-01401，為三相逆變器設(shè)計(jì)1.25kW GaN功率級方案等。

工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

http://www.ti.com.cn/zh-cn/applications/industrial/motor-drives/overview.html

2）直流，步進(jìn)與三相無刷馬達(dá)控制方案

BDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組合包括適用于所有類型功率范圍的集成電路——從電池供電系統(tǒng)（低電壓支持和最低功耗是關(guān)鍵）到高功率系統(tǒng)（需要帶外部FET的柵極驅(qū)動(dòng)器來處理電流）。直流馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)具有多種功能，如超低睡眠功率模式、小封裝、短路或開路診斷、智能柵極驅(qū)動(dòng)、集成電流感測和內(nèi)置電流傳感放大器。

得益于諸如智能柵極驅(qū)動(dòng)、集成電機(jī)控制、集成FET和功能安全設(shè)計(jì)封裝等技術(shù)， BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠最大限度地提高三相無刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）的性能，以支持各種各樣的工業(yè)、個(gè)人電子和汽車應(yīng)用。我們的三相無刷BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組合包括DRV8304（最大40V）、DRV8323（最大60V）和DRV8353（最大100V），這些驅(qū)動(dòng)器能夠在各種工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更小、成本更低、可靠性更高的設(shè)計(jì)，如電動(dòng)工具、無人機(jī)和機(jī)器人。

直流/步進(jìn)/三相無刷電機(jī)控制方案：

http://www.ti.com.cn/zh-cn/motor-drivers/overview.html

參考文獻(xiàn)： 

[1] HMS發(fā)布2019工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場份額報(bào)告[R/OL].國際工業(yè)自 動(dòng)化網(wǎng), (2019-5-10), http://mp.ofweek.com/gongkong/ a945683822026. 

[2] TI工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[EB/OL].http://www.ti.com.cn/ zh-cn/applications/industrial/motor-drives/overview.html. 

[3] TI直流、步進(jìn)與三相無刷馬達(dá)控制方案[EB/OL]. http://www. ti.com.cn/zh-cn/motor-drivers/overview.html.

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第8頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。