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汽车本地网络的机电一体化解决方案

来源:电子产品世界/AMI半导体公司 战略营销总监 Hervé Branquart?? 2007年07月12日 ?? 收藏0

  汽车制造商致力于在每种新的汽车设计中扩大电子控制的使用。在崇尚实用和经济的汽车市场上,相对于机械系统,电子控制的优势在于由更简易快速的装配实现成本降低,而重量的减轻则大大减少了燃料成本。品牌汽车的重点在于提供先进的功能并提高乘客的舒适度,让产品与众不同,并保证利润。

  这种趋势要求对汽车装配线的基础设施进行根本改变,例如重新设计。传统的点对点配线方式,由于电子子系统数量不断增加,会很快变得沉重而复杂,难以承受。

  更重要的是,与大量制动器的中央控制有关的软件开发工作变得尤其复杂和费时,这就要求设计师开发出可靠的软件。另外,中央控制器和单独的子系统之间复杂的信号联系,例如对大量电子电动机的PWM控制,会导致高度电磁辐射,造成困难的辐射抑制,这在汽车整体基础上解决将会非常昂贵。

  将更多智能转向单独的子系统,会减少很多汽车配线和信号传输,也会减少汽车中央控制器负荷。验证和确保软件能够运行多个功能组合是一个冗长的过程,需要花费很多工程设计时间。另外,不同种类的电缆树的开发、制作和安装,以及为每一个电机进行的额外的点对点配线,会很快带来更多重量和成本。由于控制板和电机之间高密

度的信号传输,电磁辐射也会开始增多。

  另外一个模块化和容易实现的解决方案,是将数码控制融合到一个单片集成或多芯片电机驱动器。增加或减少一个电机变得更加容易,只需要相应增加或减少电机驱动器芯片或模块。然而,这需要改变板块设计,这个解决方案没有减少控制板和电机阵列之间配线的复杂性。因此,如果要解决成本和电磁问题,就需要另外的解决方案。

  将更多智能向电机点转移,采用电机一体化模块,这个模块包含接口、控制器和驱动器以及电机本身组成一个独立的单元,如图1所示。


  电机一体化模块示意

  图1? 电机一体化模块示意

  这样可减少控制板的装载量,只包含处理器和一个总线接口,就像三线LIN总线那样。LIN已经被汽车电子集成商广泛使用,以减少汽车配线的复杂性和信号传输。作为一种业界标准的互连解决方案,可以采用标准的LIN接口以及模块内部的控制和驱动功能,来支持大量的机电一体化模块在汽车上应用。

  额外增加一个电机,只需简单地将电机作为一个完整的机电一体化模块连接到总线上。这不仅解决了软件复杂性、EMI和分级性,而且允许汽车模块供应商向汽车制造商客户交付“现成套装”模块。因此,电子系统的集成变得更加直接,为新车型和现有车型的改进获取市场利益创造宝贵的时间。子系统销售商也可以创造新的功能,将IP嵌入到模块中去,这样就能实现与众不同,并且保护他们在产品开发中的投资。

  通常和LIN网络连接的汽车电子模块包括安装在门上的车窗、门镜和门锁的驱动、电子座椅调节、顶灯定位系统、温度控制电机和风扇。大多数这些应用都要求在一维或几维内进行控制。为了实施一个机电一体化解决方案,系统集成商不仅需要成熟的LIN接口IP,还需要带有集成电机驱动功能的可配置电机控制、CPU和存储子系统的集成,以及适用于汽车额定电压的电力电子技术。

  图2显示集成了总线接口功能块和机电一体的电机控制器解决方案。LIN接口接收高电平的电机驱动和位置命令。智能电机驱动功能使必要信号从一个电机移动到另一个电机。具体的执行可能需要一个状态机、微步进电流查找表和电流控制器,能够由设计者设置参数,以满足具体的系统要求。除了接口和控制功能,还必须使用其他的功能块,例如步进电机控制所需的稳压器、电荷泵以及电机驱动MOSFET。一个智能的电力技术,可以将所有这些模块合并成单个集成解决方案,快速地集成到电机组件中去。

电机控制器解决方案示意

  图2? 电机控制器解决方案示意

  这种方式也可以在硬件中采用更加复杂的电机控制功能,例如电流整形。如果独立设计出一种步进电机控制器,设计者通常会希望采用他们自己的电流整形来支持微步进“向前”、“慢速衰减”、“快速衰减”和“混合衰减”模式。另外一个对步进电机操作有关键影响的设计是确定PWM频率。如果频率设定过高,就有可能导致过热。另一方面,如果频率过低,驱动器就会产生可听见的噪音。设定合理的频率取决于包括供应电压、常用电流和操作温度在内的操作条件。如果应用的是汽车机电一体化模块,这些都可以精确地得到预测。假定典型值,计算出一个最佳PWM频率约为22kHz。因此,在硬件中固定PWM频率是可行的,这样能节省外部的器件。其他在硬件中可能有用的功能,如可以最大化可靠性、减少组件数量以减少外部二极管或肖特基器件装置,以及片内电流感测都集成在一颗芯片中。片内电流感测允许单片集成控制器IC独立回应命令,该命令由设定电机电流的LIN总线接收。


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LIN? AMI3062x? 步进电机? 混合信号?

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