车载电机驱动的技术趋势

时间:2023-07-21
 1 前言
  近年来,环境问题日趋严峻。在这种背景下,汽车的油耗法规要求越来越严苛,以怠速停止车辆为首,混合动力 汽车、电动汽车的开发进程加速,并开始普及。与此同时,传统的油压控制(引擎动力)机构开始被电机控制机构取代。同时,由于车辆的轻量化、零部件的小型化要求日益高涨,对于电机的需求也发生了变化,从以往的DC电机转变为寿命长、可高效驱动的无刷电机。不仅如此,随着这些新型车辆的静音性能提高,对行驶时以及停车时的车内空间的 静音性、舒适性的要求也越来越高。
  为了满足这些要求,需要如下电机驱动技术。
  ①   实现静音化的正弦波驱动技术;
  ②   实现高效化的进角控制技术;
  ③   实现电机优化及小型化的无传感器技术。
  在此,我介绍一下搭载了这些技术的产品用例。
 

  图1 应用电路图


 2 正弦波驱动技术
  车载三相无刷预驱动IC“BD16805”(参考图1应用电 路图)已在日本的混合动力汽车的的电池冷却风扇和空调鼓 风机风扇的电机中被广泛采用。作为车载领域用的产品,该 产品采用了业界首创的线性正弦波驱动(180°通电),实现 了电机的静音化;同时,还内置进角控制电路,非常有助于 汽车的高效化与低功耗化。
  耐压为适合车载领域的60V, 输出端内置充电泵电路,可以驱动NMOS组成的桥电路。另外,在速度控制方面,既支持PWM输入,又支持DC输入。
  传统上,空调鼓风机电机多采用DC电机和120°驱动 的无刷电机。但是,这些电机存在打火噪音以及因电流急剧 变化时的转矩变化导致的振动和旋转不平衡而产生的噪音问 题。使这种电机的线圈电流接近正弦波驱动,可实现电机的 静音化和低振动化(参考图2)。另外,使磁铁不要磁饱和( 梯形齿着磁) 而进行接近正弦波的着磁,也是电机机械设计过程中的注意要点。
  3 进角控制技术
  为了更高效地驱动电机,保持产生转矩的位置来创建 旋转磁场是非常重要的,也就是说,要在磁铁的磁场和线圈电 流产生的磁场垂直的位置进行驱动。因此,需要配合感应电压的 相位和线圈电流的相位。

  图2   120°通电与180°通电驱动电流波形的区别


  图3   进角度控制原理


图4   输出电流比较


随着转速增加,受电感影响,线圈电流的相位滞后于感应电压(参考图3右图)。因此,即使在相同时间流过电流,也会存在所产生的转矩降低、效率下降问题。
  要防止这种效率下降,需要进角控制技术,即如图3左 图所示,相对于感应电压,驱动电压需要在相位上提前导 通。通过进角控制,使线圈电流配合电机的感应电压相位,在的相位高效率地产生所需的转矩。这样,U、V、W 相的合成转矩再加上正弦波驱动可变得平稳。利用这些技术,可避免转矩变动,并实现静音化、低振动化。另外,此车载三相无刷预驱动IC“BD16805”从启动时即可进行正弦波驱动,因此,无论在ON-OFF反复较多的电机应用中,还是在振动较大的启动时,均可实现静音化。
  在图4中,比较了有无进角控制的电机的转速与输出电流。由图中可知,尤其在高速旋转时,输出电流降低30%以上,实现了高效驱动。 该进角控制的调整通过VDEG引脚进行。通过调整VREG引脚的施加电压(0V-2.5V之间),可在0-30°的范围内设定进角角 度。将电机设定为额定转速,在稳定旋转过程中, 电机电流减少,通过VREG引脚电压决定效率良好 的进角角度。

       4 无传感器技术
  如果是普通的风扇,内置霍尔元件的电机驱动 器是选择,但希望具备更高的可靠性和在高温 下工作时,或电机结构上存在问题时,有些电机更 适合无传感器驱动。油泵和水泵就是这类情况。由 于转子即磁铁存在于水和油的流路中,因此很难捕 捉磁铁的磁场。
  ROHM面向这类车载泵领域,开发出无传感器
  方式150°驱动的电机驱动器。该IC中内置了进角 控制功能。另外,考虑到安全性,还配置了各种保 护功能(过电压、过电流、加热、堵转保护)。
  在无传感器技术中,启动的可靠性是非常重 要的。因此,该IC首先在启动时判断电机状态(停 止、正向空转、反向空转),进行使电机停动的驱 动对应。然后,通过同步驱动的强制相位超前, 在启动时8次检测反电动势后,转换为120°通电硬 开关驱动模式,进而392次检测反电动势后,变为150°通电模式。另外,还可根据电机,设定启动 时的相位超前驱动周期和软起动的时间。
  5 结语
  汽车的电动化和高性能化发展迅速,预计所使用的电 机数量也将持续增加。
  ROHM以“ROHM让所有的电机转起来!”为口号,产品开发重心从以往的消费电子领域向家电、工业设备、车 载领域转移。ROHM的产品不仅具有此次介绍的“正弦波驱 动”、“进角控制”、“无传感器驱动”技术优势,还拥有 融入“高耐压”、“大电流”技术优势的SiC和IPM产品。 ROHM将继续为低功耗的汽车制造贡献力量。

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