汽车自动旋转屏选型指南

作者：Mason Chen

1. 前言

        当车辆与智能相融合，不仅是自动驾驶，智能座舱也成为了当下的焦点。在目前的智能座舱中，屏幕毫无疑问地充当着主角，其大小不一，种类繁多的屏幕出现在了车内的各个角落之中。作为人与车辆重要的沟通及交互的桥梁，中控屏的尺寸不仅越做越大，而且不少厂商选择旋转大屏，不仅可以实现多场景便捷交互，而且可以使车载娱乐系统更加智能。其中的典型代表有比亚迪，全新一代唐&秦Pro中控屏会根据场景自动旋转到横/竖屏模式。而实现车载触摸屏可旋转，电机的作用不可或缺。要想实现电机的精准运动，电机驱动芯片的选择至关重要。

 

图1. 旋转中控屏   

图2. 可翻转吸顶屏

        旋转屏大多都采用直流电机。因为与交流电机相比，直流电机的控制系统更容易实现。因此，在需要控制速度、转矩或位置时，通常都采用直流电机。常用的直流电机有两种：有刷电机和无刷电机。顾名思义，有刷直流电机带有电刷，电刷可以使电机换向并旋转；而无刷电机则用电子控制取代了机械换向功能。旋转中控屏是既可以使用有刷直流电机，也可以使用无刷直流电机。两种类型的电机基于相同的线圈和永磁体吸引与排斥原理，二者都具有各自的优缺点，可以根据应用需求进行具体选择。表1总结了两种电机类型的主要优缺点。

表1. 两种电机类型的主要优缺点

	有刷电机	无刷电机
使用寿命	短(电刷易磨损)	长(无电刷)
效率	中等	高
电气噪声	嘈杂(电刷电弧)	安静
可听噪音和转矩脉动	严重	中等(梯形换向)或良好(正弦换向)
速度和加速度	中等	高
成本	最低	中等(需要MCU或其他电子设备)

      无刷电机现在越来越普及，特别是在汽车电机等大批量应用中。随着无刷电机及其相关电子设备（如微控制器）的成本不断降低，无刷电机逐渐渗透传统有刷电机占据主导的应用。在高端车型中绝大多数电机已经换成了无刷电机，因为它们产生的噪音更小。

2. 无刷直流电机

       选择 BLDC 驱动器时，第一步是确定电机的功率等级，中低功率应用适合用集成FET驱动器，大功率电机驱动系统适合用栅极驱动器。功率一般可以由电压与电流的乘积决定。在电池供电系统和线路供电系统中，电源电压都可能会发生变化，因此电机驱动器应至少支持电池的最大电压，并提供额外的裕量，防止系统中出现电压反馈或瞬态。对于稳压良好的电源和低功耗电机，TI建议使用额定电压高达最大电压1.2倍的电机驱动器，而对于大功率电机和电池系统，则建议使用1.5倍到2倍的电机驱动器。集成式FET架构的电机功率可通过方程式1计算得出，其中V_M是电机电压，I_RMS是电机的标称电流。

P=V_M×I_RMS                                                                                                 (1)

     经常有客户问到电机支持的峰值电流是多少，需要说明的是，峰值电流是电机中可能由开关、浪涌或寄生效应引起的最大短时电流。如今，许多电机驱动器都具有过流保护等内置保护功能。峰值电流是在过流保护功能启动之前可以驱动的最大电流。TI的集成式FET驱动器可以驱动高达数十安培的峰值电流。对于电机驱动功率的选择，表 2 比较了栅极驱动器和集成式 FET 驱动器架构的规格。

表 2. 电机驱动器架构

	栅极驱动器	集成FET驱动器
电源	大功率（通常大于 70W）	中低功率（通常小于 70W）
电压范围	最高 10V	通常为60V或更低
栅极驱动器电流	拉电流/灌电流大3.5A/4.5A	-
峰值电流	-	高达 13A
MOSFET	外部	内部
热性能	功率在外部 MOSFET 中耗散	受集成封装尺寸的限制
解决方案尺寸	更大	更小

        由于旋转屏或者可翻转吸顶屏应用在车内，对于噪声有一定要求，否则可能会影响乘客的乘车体验。电机噪声的主要影响因素是电机的控制方式。无刷直流电机通常有三种控制方式：梯形波控制、正弦波控制和磁场定向控制（FOC）。

1. 梯形波

       梯形换向是旋转三相无刷直流电机的最基本方法。这是通过每 60 度电角以 6 步模式为绕组通电来实现的，这样一来，一个相位为电机提供拉电流，另一个相位为电机提供灌电流，最后一个相位保持未连接（高阻态）。这会为每个相位产生 120° 梯形电流波形（图3）。梯形波可以通过有传感器或无传感器的方式来确定电机的位置并有效地对电机进行换向。它是一种低成本、易于实施的解决方案，可产生高转矩和速度，并将 MOSFET 开关损耗降至最低。然而，由于电流驱动不理想，它的分辨率很低，并且会导致转矩纹波和可听噪声。

图3. 梯形控制 (120°)

2. 正弦波

       正弦换向是另一种换向方法，三相同时通电，并且三相电流在 180 度电角内呈平滑的正弦波变化（图4）。定子的正弦磁通会吸引转子，从而使转子平稳旋转。由于无刷直流电机的反电动势 (BEMF)呈正弦变化，若电机电流也呈正选波变化则产生的转矩是恒定的。这意味着电机噪音小，功效高。

图4. 正弦控制 (180°)

3. 磁场定向控制

       FOC 是 Field-Oriented Control 的缩写，即磁场定向控制，它是一种高效换向技术，用于精确高效地控制电机的速度和转矩。顾名思义，FOC技术会使定子磁场与转子磁通垂直，以便实现最大转矩。FOC 的实现可能非常复杂，因为它需要复杂计算处理能力来处理数学变换和计算，例如 Clarke Park 变换、反Clarke 变换和反Park变换。如果通过相位定子电流和电压以无传感器的方式估算位置和速度，则微控制器必须足够快，以便在电机旋转时估算角度和速度。这可能需要使用实时数字信号处理器 (DSP) 来对这些数学计算进行流水线处理或实施大型查找表并同时计算其余变换。对于需要高精度的FOC的应用需要高精度编码器。根据编码器的分辨率，在实现转矩脉动最小化的同时实现精确的位置控制。

图5. 磁场定向控制状态矢量图

表 3. 不同控制方法的比较

	梯形波	正弦波	磁场定向控制
算法复杂度	低	中	高
电机效率(MTPA)	低	中	高
最大速度	高	低	中（标准 FOC）高（磁场变弱）
MOSFET 开关损耗	低	高	高
转矩纹波	高	中	低
可听噪声	高	低	更低

     由旋转屏和可翻转吸顶屏的市场要求：电机应移动到特定位置、能够保持该位置并来回移动，噪音尽可能的小（可能会有客户要求在距离电机50cm处的噪音不超过30dB），电机功率一般不大于70W。并根据上述分析可得出，选择集成FET驱动器（有利于减少体积并减少外围电路设计），并支持磁场定向控制以最大限度的降低噪音，无位置传感器方案和带传感器方案都可行（如今的无位置传感器方案已经应用广泛并较为成熟）。TI提供多种电机控制方案供客户选择，以下重点介绍两种方案。

方案一：MCU+Motor Driver-- MSPM0G3507+DRV8316-Q1（具有旋转屏和吸顶屏的成功案例）

图6. 方案一MSPM0G3507+DRV8316-Q1

       现代电机驱动系统的性能不断提高、因此对实时控制的要求也相应提高。对于旋转屏应用，要求电机实现高精度的位置控制，对精度有一定要求。TI 的MOG3507微控制器或C2000 MCU可提高模拟集成度、从而在不到1 μ s 的时间内执行电流环路、即快速电流环路。通过在现代控制拓扑中利用快速电流环路、设计人员能够以更低的成本开发尺寸更小、性能更高的系统。

       DRV8316-Q1可驱动12V 且功率高达40W无刷直流电机的客户提供了一种单芯片功率级解决方案 。DRV8316-Q1 集成了三个1/2-H 电桥，具有40V的绝对最大电压和 95mΩ（高侧加低侧）的超低RDS(ON)，可提供大功率驱动能力。通过集成电流检测功能完成检测，无需外部电流检测电阻器。可调降压稳压器和 LDO 的电源管理性能为芯片生成3.3V/5V电压轨，可用于为外部电路供电。DRV8316-Q1 实现了 6x 或 3x PWM 控制方案，可用于使用外部微控制器实施有传感器或无传感器磁场定向控制 (FOC)、正弦控制或梯形控制。DRV8316-Q1 能够驱动高达 200kHz 的 PWM 频率。该控制方案可通过硬件引脚或寄存器设置进行高度配置，可实现电机电流限制和故障响应。

       MSPM0G3507 是具有 CAN-FD 接口的混合信号微控制器，具有较好的价格优势。具有纠错码 (ECC) 且高达 128KB 的闪存，可用于故障诊断的大容量闪存。具有硬件奇偶校验且高达 32KB 的 SRAM。低功耗：整个系统的电流消耗应小于100μA。具有17 个外部通道的 12 位 4Msps 同步采样模数转换器 (ADC)，一个12 位数模转换器 (DAC)，3个高速比较器 (COMP)，2个零漂移、零交叉斩波运算放大器 (OPA) ，1个通用放大器 (GPAMP)，一个控制器局域网 (CAN) 接口支持 CAN 2.0 A 或 B 以及 CAN-FD, 四个 UART 接口，两个 SPI，一个 SPI 支持高达 32Mbit/s，两个 I2C 接口，60个GPIO，精度高达 ±1.2% 的内部 4MHz 至 32MHz 振荡器 (SYSOSC)，一个高达 80MHz 的锁相环 (PLL)。

DRV8316-Q1的特点及优势：

1. 电流检测放大器

       电流检测反馈在电机系统中非常重要，用于实现闭环转矩控制或检测电流限制。TI 的 BLDC 电机驱动器DRV8316-Q1可以提供3 个电流检测放大器 (CSA) 来检测电机相电流，并作为微控制器模数转换器的模拟电压反馈。DRV8316-Q1集成式低侧电流检测架构无需外部分流电阻器；其通过电流镜像技术检测低侧 MOSFET 的电机电流，并将其转换为模拟电压。这种形式的电流检测主要用于集成式MOSFET BLDC 电机驱动器。

2. 接口

        在驱动 BLDC 电机旋转之前，必须对许多驱动器设置进行适当配置和调优，以便电机系统能够稳健高效地工作。 例如，其中一些设置可能包括过流保护阈值、栅极驱动电流设置或 PWM 输入模式。TI BLDC 电机驱动器提供多 种接口来简化配置设置、诊断电机故障，甚至是控制电机本身。DRV8316-Q1支持串行外设接口 (SPI)、硬件 (H/W) 接口进行通信。

3. 功率集成

       为了提供外部电源轨来为系统中的其他器件或电路供电（例如 MCU 和 CSA 基准电压），许多 TI BLDC 电机驱动器都提供了集成式降压稳压器和线性压降稳压器 (LDO)。DRV8316-Q1内置 3.3V (5%)、30mA LDO 稳压器、内置 3.3V/5V、200mA 降压稳压器。

4. 100% 占空比支持

      外部功率级中的高侧 N 型 MOSFET 需要比电机电压高大约 10V的电压，才能完全增强MOSFET。在某些应用中，此 FET 需要在整个 PWM 周期内（100% 占空比支持）导通，这在提供稳压栅极电压和栅极电流的设计中带来了挑战。TI 提供了两种集成选项来支持高侧 MOSFET 增强所需的 100% 占空比：自举或电荷泵架构。

       自举架构使用外部自举电容器来通过外部提供或内部生成的栅极驱动电压 (GVDD) 提供高侧 MOSFET 增强。为了刷新自举电容器，必须断开高侧 FET，并且必须在最短时间内导通低侧 FET。为了支持 100% 占空比，器件中集成了涓流电荷泵，以便增强高侧MOSFET。自举架构成本低、集成度小，且效率高。

        电荷泵架构集成了倍增或三倍电荷泵控制器，用于调节来自电机驱动器电源电压的高侧栅极驱动电压。这样就无需使用外部自举电容器，并且只需两个电容器即可实现电荷泵运行。倍增或三倍电荷泵可满足更低的最低电源电压要求，从而生成高侧 MOSFET 栅极驱动电压。

图 7. BLDC 电机驱动器中的自举和涓流电荷泵架构（左）和电荷泵架构（右）

5. 既可支持无传感器磁场定向控制(FOC)也可支持含传感器FOC

      可能存在客户担心无位置传感器方案位置不准确，客户也可有选择的采用含位置传感器的FOC方案。既可支持无传感器磁场定向控制(FOC)也可支持含传感器FOC 为客户提供了多种可能，供其选择。对于位置传感器，TI主推两款：DRV5055、TMAG5173-Q1。DRV5055-Q1是一款线性霍尔效应传感器，可按比例响应磁通密度。该器件可用于在各种应用中进行精确的位置感测。该器件由 3.3V 或 5V 电源供电。

MSPM0 为什么适用于 BLDC的 FOC方案？

     TI的可扩展 M0+ MSPM0Gxx 高性能 MCU 具有先进的片上电机控制外设，可以为各种电机控制应用提供设计。该产品系列涵盖 32KB 至 128KB 的闪存，并具有可扩展的模拟集成、电机控制外设和 CAN。在 BLDC的FOC 应用中，MSPM0 监控电机状态并运行 FOC 算法。根据系统架构和电机电压，FOC应用中使用了两种主要的模拟集成拓扑，特别是在需要使用观测器估算电机实时位置的无传感器 FOC 应用中。MSPM0G 还提供了一个集成硬件加速器用于执行计算，以在 30kHz PWM 频率或更高频率下实现高效的 FOC 性能。

图8. MSPM0G系列

• 80MHz M0+ CPU – 缩短 FOC 算法和检测信号的处理时间
• 集成数学加速器

– 用于定点和 IQ 格式数字的 32 位硬件除法器（8 个周期）

– 在 21 个周期内完成平方根运算

– 在 29 个周期内完成 24 位三角函数计算（sin、cos、atan）

• 两个独立的 4MSPS 12 位 ADC 模块（多达 16 个通道）

– 多达 11 个 ENOB 并具 SNR

– 在 250ns 内进行高达 4MSPS 的 ADC 升压电机相电流检测

• 两个“零漂移”斩波运算放大器 - 精确放大两相电流并计算第三相电流
• 三个高速比较器 – 以零等待时间实现电机的硬件低侧电流限制
• 先进的电机控制计时器 – 灵活的 6 PWM 控制和交叉触发器

– 中心对齐的 PWM 生成

– 非对称 PWM 允许以受控的相移生成两个中心对齐的 PWM 信号。

– 具有死区插入的互补 PWM

– 交叉触发器生成 ADC 时序以捕获两相电流

• 具有毛刺干扰滤波器的稳健 IO 设计 – 提供在存在电机噪声的情况下仍可靠运行的系统。
• 全面的通信接口 – 包括 UART、I²C、SMBus、SPI 和 CAN-FD，可满足电机控制系统的所有通信要求。
• FOC 算法库 – 缩短电机控制设计的上市时间。（多种设计资源）
• 可扩展 MCU 产品系列 - 涵盖各种闪存选项的引脚对引脚兼容器件。
• 低成本、小尺寸封装 - 适用于空间受限的设计的选项。
• 宽工作温度范围（-40°C 至 +125°C）
• 符合汽车级 Q100 标准的功能安全选项（高达 ASIL-B），可确保系统稳定性和可靠性。

 

方案二：单芯片无代码无传感器 FOC方案—MCF8316C-Q1

      随着电子电路的高度集成化，完全集成式解决方案可进一步降低成本，减少布板空间。例如TI的MCF8316C-Q1完全集成式单芯片无代码无传感器 FOC方案，使成本进一步降低。 该集成芯片采用预编程、只需微调的无刷直流电机控制算法、可在系统设计阶段通过MCU的简单I2C接口配置集成的电可擦除可编程只读存储器来实现。它们还提供硬件配置、支持系统设计人员在没有 MCU 的情况下调整电机。MCF8316C-Q1集成了六个MOSFET、实现了采用7mmx5mm封装的完整实时电机控制解决方案。MCF8316C-Q1 为客户提供了一个单芯片无代码无传感器 FOC 方案，可用于驱动12V 至 24V 无刷直流电机 (BLDC)，峰值电流高达 8A，功率高达40W。4.5V 至 35V 工作电压（绝对大值 40V）。

图9. 方案二 MSPM0G3507+DRV8316-Q1

       若需要CAN接口进行通讯，则也可接一个MCU，但无需自己调试FOC算法，MCF8316C-Q1集成了FOC算法，并具有多种调优功能。

图10.利用MCU做桥接进行通讯

单芯片无代码无传感器 FOC方案—MCF8316C-Q1的特点及优势：

1. 使用无需编程无传感器电机控制来缩短设计时间

        MCF8316C-Q1无刷直流电机驱动器包括一系列独特的换向控制算法，无需开发、维护和验证电机控制软件算法，从而大大减少设计时间。这些算法和高集成特性可以使电机系统能更好地管理电机故障检测等关键功能并实施保护机制，从而提高系统可靠性。MCF8316C-Q1集成了无传感器技术来确定转子位置，因此无需外部霍尔传感器，从而降低了系统成本并提高了可靠性(位置传感器受环境影响可能会失效或者测量不准确)。

       此外，MCF8316C-Q1 无传感器磁场定向控制电机驱动器可智能地提取电机参数，使设计人员能够快速调优电机，使不同的电机实现一致的系统性能，而不受电机制造差异的影响。此外，若对噪声要求不高的场合，通过 MCT8316Z-Q1 无传感器梯形控制电机驱动器，设计人员仅需五个硬件引脚即可对电机进行调优。由于无需微控制器接口，因此可简化系统。

2. 更低的噪音

        在电机驱动器应用中，噪音是指电机换向和谐波频率造成的可闻噪声。电机相电流中的任何失真都会造成可闻噪声。电机中的定子励磁会在可闻频率范围内产生机械谐振，进而导致出现可闻噪声。当电机以较低速度运行时，能够清楚地听到电机换向造成的噪音。对于车内旋转屏和可翻转吸顶屏应用，降低噪音能在很大程度上提升乘车体验感，因此降低噪声是对电机驱动应用不可或缺。对于MCF8316C-Q1，系统设计人员可以通过连续PWM调制、死区时间补偿和可变换向模式等控制技术最大限度地降低可听噪音。

（1）连续PWM调制技术：

        在连续空间矢量调制方案中，相电流波形整形将为正弦形状且没有失真。在非连续空间矢量调制方案中，低电感电机预计会存在相电流失真，因为只有两个相位会进行脉宽调制。图11展示了非连续 PWM 调制模式下的相电流波形与相电流快速傅里叶变换 (FFT)。图12展示了连续 PWM 调制模式下的相电流波形与相电流 FFT。与非连续调制模式中的相电流波形相比，连续调制模式中的相电流波形会更加干净，也更像正弦形状。

图11. 相电流波形与 FFT - 非连续 PWM 调制      

图12.相电流波形与 FFT - 连续 PWM 调制

（2）死区时间补偿：

       在半桥桥臂上，高侧和低侧 MOSFET 的开关瞬间之间会存在死区时间，以避免发生电流击穿。由于存在死区时间插入，相节点上的预期电压与施加的电压会因相电流方向而异。相节点电压失真会在相电流中引入不必要的失真，进而导致可闻噪声。MCF8316C-Q1使用一项获得专利的精密自动死区时间补偿技术，利用谐振控制器将相电流中的谐波分量控制为零，从而确保缓解死区时间导致的电流失真。I_q 和 I_d控制路径中都包含谐波控制器。图13展示了禁用死区时间补偿时的相电流波形与相电流FFT。图 14展示了启用死区时间补偿时的相电流波形与相电流 FFT。在以下图片中，PWM 输出频率设为 60 kHz，死区时间设为500ns。电机频率为12Hz。如图中电流波形的 FFT 所示（信号以粉色显示），在启用死区补偿后，相电流波形变得更加干净。

   图13. 相电流波形与 FFT - 禁用死区时间补偿      

图14. 相电流波形与 FFT - 启用死区时间补偿

图15. 禁用死区时间补偿和启用死区时间补偿的对比

       为了更好的对噪声情况进行衡量，使用手持式声级计测量了声学性能（以dBA为单位）。借助死区补偿和连续 PWM 调制方案，在电机电气频率为 33Hz，可闻噪声减少了 3.3 dBA。（MCF8316C-Q1基本性能与MCF8316A相同，MCF8316C-Q1在MCF8316A的基础上进行了更合理的优化设计）。

图16. 采用 MCF8316A 时的可闻噪声比较（距离电机2cm处的测量数据）

       需要强调的是噪音的大小与距离电机的距离紧密相关。点声源声传播距离增加一倍，衰减值是6 dB，我们的测试条件是在距离电机2cm处进行的测量，当距离电机50cm处测量时，电机的可听噪音将低于30dB，甚至更低。

(3) 可变换向方案（针对MCT8316Z-Q1无传感器梯形控制）：

       在可变换向方案中，MCT8316A 器件会根据电机频率，在 120° 和 150° 梯形换向之间动态切换。在较低速度下，该器件会以 150° 模式工作，而在较高速度下，则会切换至 120° 模式。在 120° 换向模式下，当电机相位因为储存的电感电流而进入高阻态状态时，相电流中会出现转矩纹波，进而导致声学噪声。为了减少转矩纹波的影响并改善声学噪声性能，MCT8316A 器件会在可变换向模式下延长 120° 驱动时间并在进入高阻态前逐渐减少占空比，从而减小相电流。在此模式下，相位会在 30° 和 60° 之间处于高阻态，并且该窗口大小会根据速度进行动态调整，当窗口尺寸较小时，可以获得理想的声学性能。图 17展示了 150° 换向模式下的相电流与电流波形 FFT。在 150° 换向模式中，相电流形状更像正弦波形。

    图17. 相电流波形与 FFT - 120° 梯形换向            

图18. 相电流波形与 FFT - 150° 梯形换向

3. 利用实时控制加快系统响应和多种启动及运行功能

       MCF8316C-Q1 是业内先进的产品，可提供快速且受控的方式来主动降低电机速度，使工程师能够以比传统电机控制技术快 50% 的速度关停电机。此外，该芯片可在关停电机时将能量有选择地泵回电源轨，从而保护系统免受损坏。此外，MCT8316Z-Q1 无传感器梯形控制电机驱动器可以达到最大3.5kHz的电机频率，比任何其他无需编程的无传感器电机驱动器都快。这在需要快速和精确电机控制的应用中加快了系统响应。

可靠的电机启动：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1通过对齐或初始位置检测 (IPD)，可以准确检测电机的转子位置，确保可靠的电机启动。初始速度检测 (ISD)，支持在 10ms 以内重新同步。

功率限制：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1具有功率限制功能，可防止电池出现电涌。负载突然变化会导致电机消耗更多电能并产生尖峰。功率限制功能会设置功率阈值以避免发生尖峰。这延长了电池的使用寿命，从而使消费者不必更换器件。

主动制动和电机锁定功能：检测或预测转子锁定的能力有助于更大限度地减少功率损耗、器件故障或损坏。TI 的MCF8316C-Q1可在电机运行期间持续检查不同的电机锁定条件、并在检测到锁定事件时立即采取行动。例如在吸顶屏应用中，若吸顶屏被异物卡住时，系统负载激增、这种情况会被系统判定为电机锁定状态、然后电机能够向相反方向旋转以松开物体并继续正常运行。

4. 减少70%的布板空间

       MCF8316C-Q1和 MCT8316Z-Q1可帮助设计师缩小70%的布板空间，并降低电机系统的总成本。该芯片集成了三个栅极驱动器和六个高侧和低侧 MOSFET，每个均具有 50mΩ 的导通电阻(高侧加低侧的R_DS(ON) (H_S + L_S) 为95mΩ)。这两个电机驱动器还集成了例如低压降（LDO）稳压器、直流/直流降压稳压器和电流检测放大器等元件，省去了18个分立式元件，进一步降低了系统成本。

3. 有刷直流电机

       有刷电机结构简单，发展时间长，技术比较成熟，控制电路简单。直流有刷电机控制精度高，直流有刷电机通常与齿轮箱和编码器配合使用，使电机的输出功率更大，控制精度更高。但有刷直流电机运行噪音较大，且由于电刷的存在寿命较短。这就需要根据需要进行权衡了。

       对于旋转屏和吸顶屏，有刷直流电机也是适用的。TI推荐使用完全集成式高功率密度电机驱动器DRV8243-Q1减小系统尺寸。MSPM0 MCU 凭借其丰富的产品系列和模拟功能以及针对有刷直流电机控制优化的软件资源，可以充分发挥 H 桥结构的作用。想查看更多关于MSPMO MCU控制无刷电机的相关文档，请点击下面链接。使用 MSPM0 MCU 为步进电机和有刷直流 (BDC) 电机实现优化的 H 桥驱动器控制 (Rev. A) (ti.com.cn)

DRV8243-Q1的特点及优势：

1. 减少系统尺寸和布板空间

       在设计成本优化型汽车系统时、需要重点考虑减小系统尺寸和减小布板空间。减小封装尺寸并将功能集成到有刷直流驱动器中、可减少外部元件数量、从而节省布板空间并降低成本。RV8243-Q1系列推出了汽车类 HotRod^TM QFN封装、尺寸下限为3mm x 4.5mm、是用于有刷直流驱动的同类产品中的超小封装之一。

       集成电流检测：采用内部电流镜架构和电流反馈引脚、无需外部电流检测电阻器、从而节省布板空间并降低成本。

       集成式场效应晶体管(FET)解决方案- DRV8243-Q1系列可输出高达12A的驱动电流。 借助支持中高电流的集成式解决方案、无需使用栅极驱动器和外部FET、可节省布板空间和成本。

2. 先进的故障保护和诊断功能

        DRV8243-Q1芯片系列是首批在电机驱动器处于开启和关闭状态时都能提供开路负载检测和短路保护的芯片。即使H桥处于关闭状态、该功能也有助于避免电机驱动器损坏或出现异常的故障。

        SPI 界面给出保护设定和详细故障诊断，旨在确定故障的类型及其位置，通过所提供得电机驱动器故障问题根源，可节省设计人员排除修改故障的时间。

3. 采用可扩展驱动器优化设计时间

       DRV8243-Q1系列的 H 桥和半桥驱动器支持设计重复使用、可在汽车系统中扩展不同负载。 该器件系列具有相似的固件、功能和封装引脚排列、支持在各种负载和电流范围内重复使用、有助于缩短设计时间。除了具有相似固件外、DRV8243-Q1和 DRV8244-Q1引线式封装还具有引脚对引脚兼容性、因此在按比例调高或调低功率级别时更容易插入和更换这些器件。

 

MSPM0 为什么适用于步进电机和有刷直流电机控制？

      TI 的可扩展 M0+ MSPM0Lx 主流 MCU 具有片上电机控制外设，可为各种电机控制应用提供设计。MSPM0Lxxx 器件具有高达 32MHz 的 CPU 速度和 8KB 至 64KB 的闪存产品系列以及可扩展的模拟集成和电机控制外设，可用于步进电机和有刷直流电机设计。

图19. MSPM0L系列

• 32MHz M0+ CPU – 减少控制和检测信号的处理时间
• 1MSPS 12 位 ADC 模块（多达 10 个通道）– 检测 H 桥电流
• 两个零温漂斩波运算放大器 – 精确放大双路 H 桥电流
• 高速比较器 – 为电机实现快速电流保护
• 四个通用计时器 – 灵活的 PWM 控制和交叉触发器

– 同步和交叉触发器，用于生成多相电机控制 PWM

– 多达 8 个 PWM（可以驱动 4 个 BDC 电机或 2 个步进电机）

• 具有毛刺干扰滤波器的稳健 IO 设计 – 提供在电机噪声下可靠运行的系统
• 全面的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI，可满足电机控制系统的所有通信要求。
• 具有引脚对引脚兼容器件的可扩展 MCU 产品系列涵盖了各种闪存选项。
• 小尺寸封装适用于空间受限的设计。

 

MSPM0 在有刷直流电机控制中有什么作用？

      在有刷直流应用中，MSPM0 可以监控电机状态，运行算法并生成 PWM 来驱动电机（通过前置驱动器器件）。借助可扩展的模拟集成，MCU 可以快速计算出总线电压、电机电流和转速的准确值，然后为控制算法提供输入。MSPM0L13xx 可以生成 8 个 PWM，因此可以同时驱动 4 个 BDC 电机。

图20. 用于有刷直流电机控制的 MSPM0L13xx 电机控制方框图

4. 步进电机

       步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机, 它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在需要高精度控制的场合中中获得了广泛的应用，具有较高的实用价值。

        步进电机是一种将数字脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。当步进电机驱动器接受到一个脉冲之后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角。所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的。步进电机动态响应快，易于启动、停止和反转，无累积误差，并在停止时能自锁，这些使其非常适合用于旋转屏应用。但步进电机在低速转动时振动和噪声都比较大。

       对于旋转屏和吸顶屏，有刷直流电机也是适用的。TI推荐使用完全集成的步进电机驱动器DRV8889-Q1，可节省布板空间和系统成本。MSPM0 MCU 凭借其丰富的产品系列和模拟功能以及针对步进电机控制优化的软件资源，可以充分发挥 H 桥结构的作用。想查看更多关于MSPMO MCU控制步进电机的相关文档，请点击下面链接。使用 MSPM0 MCU 为步进电机和有刷直流 (BDC) 电机实现优化的 H 桥驱动器控制 (Rev. A) (ti.com.cn)

       DRV8889-Q1是完全集成的步进电机驱动器，可支持高达1.5A的满量程电流，先进的失速检测算法和集成电流检测功能。该器件支持多达1/256级微步进，以实现平滑的运动轨迹。集成电流感应功能消除了对两个外部电阻的需求，从而节省布板空间和成本。

       DRV8889-Q1 集成了电机电流感应和高级电路，可帮助在微步进期间检测失速。利用先进的失速检测算法，设计人员可以检测到电机是否停止运行，并根据需要采取措施，从而提高效率并减少噪声。

        由于电机线圈由脉宽调制 (PWM) 信号驱动，因此 EMI 确实会成为一个问题。DRV8889-Q1 还包含可编程压摆率控制和扩频技术，以帮助降低 EMI。

 

MSPM0 在步进电机控制中有什么作用？

在步进应用中，MSPM0 可以：

• 监控电机状态（可选）
• 运行 BDC 或步进电机控制算法
• 与栅极驱动器通信，以设置驱动器或微步进设置（可选）
• 生成 PWM 以驱动电机（通过预驱动器器件）。

借助可扩展的模拟集成，MCU 可以快速计算总线电压、电机电流和转速的准确值，然后为控制算法提供输入。MSPM0L13xx 可以生成多达 8 个 PWM 信号，因此可以同时驱动两个步进电机。

使用带 PWM 接口的步进驱动器的 MSPM0 步进控制

基本步进驱动器通常使用 PWM 接口进行步进控制，其中特定的 PWM 模式可以在控制步进电机位置的同时提供扭矩控制。为此，MSPM0 提供 4 个 PWM 输入信号，使用全步进或半步进换向模式来控制通过步进电机相位的相应电流。

      此外，许多步进驱动器包括来自模拟输入信号的电流调节，这可以使用来自集成比较器的 MSPM0 的 8 位 DAC 输出来提供，以使电流曲线变得平滑。该拓扑适用于玩具、智能锁、机器人和安全摄像头等高扭矩或低精度步进应用。

图20. 使用带 PWM 接口的步进驱动器的 MSPM0L1xxx 步进电机控制

 5. 用于HUD应用的电机驱动器

        对于IVI系统，利用微型步进电机或有刷直流电机驱动 HUD屏并实现翻转，可智能控制显示屏翻转的角度，满足不同身高的用户观看HUD显示屏的显示需求。

TI推荐用于HUD的明星产品为步进电机驱动器DRV8889-Q1和有刷电机驱动器DRV8876-Q1.

       DRV8889-Q1是完全集成的步进电机驱动器，可支持高达1.5A的满量程电流，先进的失速检测算法和集成电流检测功能。该器件支持多达1/256级微步进，以实现平滑的运动轨迹。集成电流感应功能消除了对两个外部电阻的需求，从而节省了布板空间和成本。利用先进的失速检测算法，设计人员可以检测到电机是否停止运行，并根据需要采取措施，从而提高效率并减少噪声。通常W-HUD和AR-HUD采用步进电机驱动器DRV8889-Q1。通常C-HUD既有使用步进电机驱动DRV8889-Q1，也有使用直流有刷电机驱动DRV8876-Q1。

图21.AR-HUD

图22. C-HUD

TI电机控制器芯片涵盖整个汽车电机控制领域。一些终端应用的明星产品目录如下：

 

表4. 汽车领域明星产品目录:

细分市场	终端应用	明星产品
车身电子装置与照明	车门模块	DRV871x-Q1, DRV8706/5-Q1、DRV8873-Q1, DRV8243-Q1, DRV8244-Q1, DRV8245-Q1, DRV8874-Q1
	方向盘调节模块	DRV871x-Q1, DRV8706/5-Q1
	电动座椅	DRV871X-Q1, DRV8874/3-Q1
	后备箱模块	DRV87XX-Q1
	侧后视镜模块	DRV89xx-Q1, DRV8874/6-Q1
	车窗模块	DRV8706/5-Q1
	汽车 HVAC 控制模块	DRV89XX-Q1
	天窗电机模块	DRV8706/5-Q1
	前照灯	DRV8889-Q1
信息娱乐系统与仪表组	旋转屏和翻转吸顶屏	DRV8316-Q1, MCF8316C-Q1, MCT8316Z-Q1, DRV8243-Q1, DRV8889-Q1
	HUD	DRV8889-Q1, DRV8876-Q1
混动、电动和动力传动系统	汽油和柴油引擎平台	DRV8873-Q1, DRV8243-Q1, DRV8244-Q1, DRV8245-Q1, DRV8874-Q1
	换挡系统	DRV8873-Q1, DRV8243-Q1, DRV8244-Q1, DRV8245-Q1, DRV8876-Q1
	车载充电器(OBC)和无线充电器	DRV8876-Q1 ，DRV8874-Q1
	摩托车	DRV8899-Q1 DRV8876-Q1