Cube N課堂 | 嵌入式電機(jī)驅(qū)動(dòng)SoC NSUC1610的座椅通風(fēng)應(yīng)用解析

BDC和BLDC

為了實(shí)現(xiàn)座椅通風(fēng)風(fēng)扇BLDC的精確控制，往往采用磁場(chǎng)定向控制（FOC）方式。磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，在理想狀態(tài)下，BLDC的電流是一個(gè)互差120°的三相電流。為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，控制器需要經(jīng)過(guò)多重變換。

首先通過(guò)Clark變換將三相直流電流由靜止三相坐標(biāo)系變換為靜止兩相坐標(biāo)系，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置經(jīng)Park變換，將靜止兩相坐標(biāo)系變換為同步轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，此時(shí)BLDC的三相交流電流也就被變換為同步于轉(zhuǎn)子的直流電流，這樣更有利于設(shè)計(jì)控制器。

FOC原理

在BLDC的高性能控制中，我們追求的是在全速度范圍內(nèi)以最大轉(zhuǎn)矩輸出和穩(wěn)定的控制，且擁有高加速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)經(jīng)過(guò)變換的電流與轉(zhuǎn)子同步時(shí)，其轉(zhuǎn)矩輸出處于最小值；而當(dāng)定子磁場(chǎng)垂直于轉(zhuǎn)子時(shí)，才會(huì)輸出最大轉(zhuǎn)矩，這是控制器想要達(dá)到的理想效果。

在經(jīng)過(guò)Clark和Park變換后，通常選擇PID（比例-積分-微分）控制器進(jìn)行電流dq軸電流控制；得到的輸出經(jīng)逆Park（Inv-Park）變換，得到阿爾法（alpha）和貝塔（beta）靜止坐標(biāo)系輸出，再經(jīng)SVPWM（空間矢量脈寬）調(diào)制，得到需要輸出的三相電壓，并輸出給三相橋臂，最終實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出。

FOC原理

納芯微NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案

納芯微NSUC1610是一款集成了4路半橋驅(qū)動(dòng)器的ARM MCU，其芯片內(nèi)核是Cortex-M3。該內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)立數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，以提高傳輸?shù)刂沸盘?hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的效率。

作為單芯片車(chē)用小電機(jī)驅(qū)動(dòng)SoC，NSUC1610支持12V汽車(chē)電池直接供電，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，在汽車(chē)領(lǐng)域有廣泛的用途，適用于控制小功率電機(jī)，可以驅(qū)動(dòng)BDC、BLDC和步進(jìn)電機(jī)等，有助于客戶(hù)減小PCB尺寸，簡(jiǎn)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高效、更緊湊和高性?xún)r(jià)比的電機(jī)控制設(shè)計(jì)。

NSUC1610功能框圖

NSUC1610的最高結(jié)溫為175℃，集成了LIN總線(xiàn)物理層、小功率MOSFET陣列和過(guò)壓保護(hù)功能。LIN端口耐壓范圍為-40V～40V，BVDD引腳電壓范圍為-0.3V～40V。

這款高集成度產(chǎn)品可以用來(lái)設(shè)計(jì)車(chē)用小尺寸、小功率、高效率電機(jī)智能執(zhí)行器，例如熱管理系統(tǒng)中的電子水閥、膨脹閥、空調(diào)電子出風(fēng)口、主動(dòng)進(jìn)氣格柵系統(tǒng)執(zhí)行器（AGS/AAF）、座椅通風(fēng)BLDC驅(qū)動(dòng)、隨燈轉(zhuǎn)向大燈（AFS）、旋轉(zhuǎn)/升降大屏控制、自動(dòng)充電口和自動(dòng)門(mén)把手等。

基于NSUC1610的座椅通風(fēng)解決方案采用單電阻電流采樣（＜25mR）實(shí)現(xiàn)電流重構(gòu)，內(nèi)部集成了PGA（可編程增益放大器）。BLDC控制器使用反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）觀測(cè)器，該觀測(cè)器對(duì)電機(jī)的電阻和電感變化不敏感，可通過(guò)可靠的觀測(cè)角度實(shí)現(xiàn)更好的觀測(cè)效果；通過(guò)直流母線(xiàn)電壓補(bǔ)償，可在較寬電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。

NSUC1610座椅通風(fēng)風(fēng)扇解決方案

NSUC1610優(yōu)化的定點(diǎn)控制算法可以實(shí)現(xiàn)在32MHz Cortex-M3上的高效運(yùn)行，其內(nèi)部集成的功率管只需部分無(wú)源器件即可實(shí)現(xiàn)小于20W電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

針對(duì)FOC控制中的大量控制器，納芯微提供的參數(shù)計(jì)算器可快速計(jì)算各個(gè)控制器的控制參數(shù)，減少用戶(hù)大量的調(diào)試時(shí)間。

參數(shù)計(jì)算器

NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案具有以下特性：

• 采用Cortex M3處理器，編譯環(huán)境為Keil標(biāo)準(zhǔn)編譯和開(kāi)發(fā)工具，編程器資源通用，開(kāi)發(fā)調(diào)試簡(jiǎn)單；
• 集成功率級(jí)MOSFET（4個(gè)半橋），驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1A（Rdson為500mΩ），同時(shí)集成了門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)和上管驅(qū)動(dòng)所需的電荷泵電源；
• 支持4線(xiàn)制LIN總線(xiàn)，LIN接口滿(mǎn)足±40V過(guò)壓、反壓要求，另有支持高壓（12V）的GPIO，便于客戶(hù)使用高壓PWM IO直接進(jìn)行電機(jī)控制；
• 滿(mǎn)足Grade 0車(chē)規(guī)要求；
• 芯片可承受40V短時(shí)過(guò)壓；
• 雙路溫度傳感器：一個(gè)位于功率側(cè)做過(guò)溫關(guān)斷，一個(gè)位于低壓側(cè)做芯片溫度檢測(cè)；
• 內(nèi)部集成可配置DAC，用來(lái)配置比較器閾值，用于過(guò)流保護(hù)和步進(jìn)電機(jī)微步控制。

解決方案性能演示

納芯微還為NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案開(kāi)發(fā)了demo板，它由LIN控制和座椅通風(fēng)風(fēng)扇組成。由上位機(jī)發(fā)送LIN信息控制電機(jī)運(yùn)行，通過(guò)發(fā)送信息可使電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。

演示表明，由于系統(tǒng)有較寬的動(dòng)態(tài)電壓范圍，在將電壓調(diào)到8V時(shí)，電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行；設(shè)置為15V時(shí)，運(yùn)行也比較平穩(wěn)。此外，納芯微提供系統(tǒng)級(jí)的解決方案，實(shí)現(xiàn)可靠的欠壓，過(guò)溫檢測(cè)；剛性和柔性堵轉(zhuǎn)檢測(cè)；offtime和runtime的線(xiàn)圈開(kāi)短路檢測(cè)等完善的錯(cuò)誤診斷；并且根據(jù)不同錯(cuò)誤類(lèi)型進(jìn)行自恢復(fù)或被動(dòng)恢復(fù)操作。

NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案的優(yōu)勢(shì)：

• 穩(wěn)定的速度控制和高加速度；
• 寬電壓范圍和欠壓自適應(yīng)速度；
• 由LIN（IHR認(rèn)證）或PWM控制；
• 寬溫度范圍，環(huán)境溫度-40℃～125℃，結(jié)溫-40℃～175℃；
• 采用高慣性可靠的三溫啟動(dòng)算法。

NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案的功能：

• 完善的故障診斷和自恢復(fù)功能；
• 欠壓/過(guò)壓閾值、濾波器定時(shí)器和滯后值均為軟件配置；
• 可靠的失速檢測(cè)，包括軟失速和硬失速；
• 使用NTC電阻器或內(nèi)部溫度傳感器實(shí)現(xiàn)過(guò)溫功能；
• 順逆風(fēng)檢測(cè)。