工业

MCU 如何在机器人电机控制设计中提高系统性能

Kevin Chen1 — Fri, 05 Jan 2024 07:58:00 GMT

机器人系统可自动执行重复性任务，承担复杂而费力的作业，并在对人类有危险或有害的环境中工作。集成度更高、性能更强的微控制器 (MCU) 可实现更高的功率效率、更平稳安全的运动以及更高的精度，从而提高生产力和自动化水平。例如，更高的精度（有时在 0.1mm 以内）对于处理激光焊接、精密涂层或喷墨或 3D 打印的应用非常重要。

机械臂的轴数以及所需的控制架构类型（集中式或分布式）决定了适合该系统的 MCU 或电机控制集成电路 (IC)。现代工厂组合使用具有不同轴数和运动自由度（在 x、y 或 z 平面上移动和旋转）的机器人，以满足不同制造阶段的需求；因此，整个工厂车间采用不同的控制架构。

在选择 MCU 时，选择具有额外性能余量的MCU能够在未来实现可扩展性和支持附加功能。在设计过程中，提前规划可扩展性和附加功能也可以节省成本和时间，降低复杂性。

本文将探讨集中式和分布式（或称分散式）这两种电机控制架构，以及实现这两种架构的集成实时 MCU 的设计注意事项。

集中式架构

在集中式系统中，一个 MCU 用于控制多个轴。这种方法能在需要大型散热器和冷却风扇的较高功率电机驱动器（通常超过 2kW 至 3kW）中，有效解决散热问题。在此架构中，位置数据通常通过连接到编码器的旋转变压器板或聚合器从外部获取。

图 1：适用于多轴系统的分散式电机控制架构的方框图

通常，在这种架构中，多个功率级位于同一 PCB 上或距离很近，因此一个 MCU 可以控制多个轴。这种方法简化了多轴之间的实时控制和同步，因为多个电机控制 MCU 之间不需要较长的通信线路。

集中式架构中的电机控制 MCU/MPU 需要具备高性能实时处理内核（如 R5F 内核或 DSP）、实时通信接口（如 EtherCAT）、充足的 PMW 通道以及用于电压和电流检测的外设。AM243x 等 MCU 可构建可扩展的多轴系统，为多达六个轴提供实时控制外设，并在单芯片中实现实时通信。

过去，FPGA 或 ASIC 器件主要用于自动化系统中的集中式电机控制。但是，基于 Arm Cortex 的现代 MCU（如 AM243x）近年来越来越受到青睐。这些 MCU 具有高集成度和成本效益，有助于设计人员满足其系统的性能要求，同时实现设计的可扩展性和灵活性。

虽然集中式控制架构可以满足重有效载荷工业机器人等大功率自动化系统的性能和效率设计要求，但这些系统需要使用额外电缆，连接机柜和关节的机械电机，以及位置传感器和聚合器。这些电线不仅成本高昂，而且容易磨损，需要维护。

分散式或分布式架构

最近，分散式或分布式架构（图 2）在具有较低功耗要求的系统中越来越受欢迎，并已成为协作机器人机械手的标准方法。

分散式架构将多个单轴电机驱动集成到机器人的每个关节中，并通过 EtherCAT 等实时通信接口进行连接和同步。通常每个驱动控制一个轴，并在本地处理某些安全功能。因此，每个 MCU 都需要实时控制和通信功能、单轴电机控制外设、三到六个 PWM 通道、片上逐次逼近寄存器模数转换器或 Δ-Σ 调制器输入。

在这些应用中，位置传感器通常靠近 MCU ，因此这些 MCU 需要一个数字或模拟接口来读取位置传感器的数据。虽然这种架构需要更多的 MCU，但由于电源总线和通信接口之间的布线需求较少，因此可以大幅降低系统级成本。现代实时 MCU（如 F28P65x）不仅集成了所有必要的外设，还集成了安全外设，从而为分散式架构中的集成轴提供单芯片或双芯片解决方案，并以较小的尺寸实现高性能。

图 2：适用于单轴系统的分散式电机控制架构的方框图

结语

虽然电机在机器人领域可能并非当下最热门的选择（尤其是与支持人工智能的系统相比），但它们是维持工厂运转的“肌肉”，也是现代制造业中至关重要的部分，因此选择合适的控制器件时需要进行多番考量。随着这些器件集成度的提升，边缘计算和无线连接等附加功能可能会融入电机控制设计中。

电池储能系统需要克服的三大设计挑战

Kevin Chen1 — Thu, 04 Jan 2024 08:00:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: BQ79616, BQ76972, BQ79731-Q1

太阳能和风能为电网带来了可再生能源，但供需不平衡的问题成为影响此类能源利用率的主要限制因素。虽然太阳能在中午很充足，但此时的用电需求不够高，所以消费者的用电成本仍然居高不下。

电网储能、家用储能、和工商业储能系统 (ESS) 可以在白天收集太阳能和风能等可再生能源的能量，并在需求高峰期或电网电价较高时释放储存的能量。通过储存能量供高峰时段使用，储能系统可以稳定电网并降低能源成本。

与电池储能系统（简称 BESS，这是较常见的一种储能系统）相关的设计挑战包括：1) 安全使用；2) 精确监测电池电压、温度和电流；以及 3) 电池之间和电池包之间强大的均衡能力。下面详细介绍这些挑战。

挑战 1：安全

第一大挑战是在电池储能系统的整个生命周期内保持电池安全，这一周期通常超过 10 年。电池储能系统应用通常使用锂离子 (Li-ion) 电池，特别是磷酸铁锂 (LiFePO₄) 电池。

当电压、温度和电流超过最大限值时，锂离子电池容易冒烟、起火或爆炸，因此电池的电压、温度和电流数据监测及保护至关重要。因此，应该对电池和电池管理系统出现故障的可能性进行考虑和分析。

图 1 展示了一个电池储能系统的架构。德州仪器适用于储能系统的可堆叠电池管理单元参考设计描述了一个通过使用 BQ79616 集成的冗余电池信息检测来监测系统问题的可堆叠电池管理单元 (BMU)，而适用于储能系统的电池控制单元参考设计展示了一个通过可靠的开关驱动设计确保系统安全的电池控制单元 (BCU)。

图 1：BESS 架构

挑战 2：精确的电池监测

精确的电池数据可确保安全并提高电池能量利用率。考虑到磷酸铁锂 (LiFePO₄) 充放电曲线有很宽的平台区，即使微小的电池电压测量误差也会导致巨大的剩余电量误差，因此精确的电池电压和电池包电流测量对于准确估算电量非常重要。而精确的电量信息是避免电池错误均衡的关键，过度均衡充电和过度均衡放电都会破坏电池的最大可用容量。

另一个重要的测量指标是温度。大多数电池起火和爆炸事故都是由电池热失控引起的。

图 2 展示了德州仪器的可堆叠电池管理单元参考设计。该设计采用 BQ79616 电池监测器，可在 –20°C 至 65°C 范围内实现 ±3mV 的电池电压误差。对于家庭储能系统，也可以选用电池监测器 BQ76972，该器件可在 –40°C 至 85°C 范围内实现 ±5mV 的电池电压误差。多路复用器开关可以扩展温度测量通道，以实现对每个电池和电源总线连接器的温度监测。该参考设计还预留了额外的温度采样通道以用于多路复用器开关的诊断检查。

图 2：可堆叠电池管理单元参考设计

储能系统电量监测也需要准确可靠的电流测量解决方案。BQ79731-Q1 电压和电流传感器集成了双通道 24 位电流检测模数转换器，并具有冗余采样通道，有助于确保系统安全性和电流数据准确性。

挑战 3：电池和电池包的均衡能力

由于负载不一致性，电池包可能会以不同的速率消耗电流。这些变化会导致电池包之间剩余电量的不均衡，并降低整个储能系统的最大可用电量。新电池的不一致性以及不同的散热条件也会导致不同电池之间的不均衡，即使在同一个电池包内也是如此。被动电池均衡会在电阻上消耗电池能量，由于其功耗过高并会导致电池包发热，因此不建议用于电池包级别的均衡。

电池包的不均衡会在产品的使用寿命内逐渐恶化，而储能系统的使用寿命可能超过 10 年。在 10 年的周期内，有些电池包可能会比其他电池包老化得更快，导致用户不得不提前更换老化的电池包。如果没有强大的电池包级别均衡电路，则必须由人工对新电池包进行充电或放电，使新电池包的能量几乎等于储能系统中其余电池包的能量。但是，这种做法不仅有风险，而且难度大，成本高，耗费人力。

电池不均衡也受到电池容量的影响。为了优化整个储能系统的单位能量成本，电池制造商正在开发更大容量的电池，容量从 280Ah 扩大到 314Ah，甚至到 560Ah。为了使电池包内的所有电池维持相同的能量，电池包中的电池容量越大，需要的有效均衡电流越大。

电池包有多种均衡方法。图 3 展示了在高压总线上通过双向隔离式直流/直流转换器对电池包进行充电和放电的一种方法。通过控制充电和放电电流，隔离式直流/直流转换器可以均衡电池包剩余容量或电压。由于正常充电电流和放电电流都会流过双向直流/直流转换器，因此整体效率低，而且要求双向直流/直流转换器的额定功率较大。

图 3：位于电池包与高压总线之间的双向隔离式直流/直流转换器

图 4 说明了在不同电池包之间均衡能量的另一种选择：使用低压总线而不是高压总线来中继能量以保证系统高效率。隔离式直流/直流转换器位于电池包和低压总线之间，仅在电池包需要均衡时才会工作。由于均衡能量只在不同的电池包之间流动，隔离式直流/直流转换器的额定功率较小，为了保持低压母线电压稳定，必须确保输送到低压总线上的能量和从低压总线上抽取的能量维持动态平衡。

图 4：位于电池包与低压总线之间的双向隔离式直流/直流转换器

结语

安全可靠的电池管理系统可以消除锂离子和磷酸铁锂 (LiFePO₄) 电池的安全问题，并通过精心设计的保护功能帮助延长储能系统寿命，甚至在发生单一失效时也能从容应对。精确的数据检测以及强大的电池包和电池级别的均衡能力可以在充电和放电时实现电池容量相等，并更大限度提高太阳能和其他可再生能源的能源利用率，最终使终端用户能够获得安全、稳定和低成本的可再生能源。

其他资源

最适合 AI 应用的计算机视觉类型是什么？

Kevin Chen1 — Thu, 09 Nov 2023 03:49:00 GMT

计算机视觉是指为计算机赋予人类视觉这一技术目标，从而赋能装配线检查到驾驶辅助和机器人等应用。计算机缺乏像人类一样凭直觉产生视觉和画面的能力。我们必须给予计算机一些算法，以便处理领域特异性任务。

本文着眼于使计算机能够像人类一样通过“看”来感知世界，从这一视角对人工智能 (AI) 进行了探讨。我将简要比较每一类计算机视觉，尤其关注在本地而不是依赖基于云的资源收集和处理数据，并根据数据采取行动的嵌入式系统。

什么是计算机视觉？

20 世纪 60 年代，计算机视觉已经能够执行从页面上读取文本（光学字符识别）和识别圆形或矩形等形状这类任务。从那时起，计算机视觉便成为 AI 的核心领域之一，它包括了任何从数据中感知、综合或推断含义的计算机系统。

计算机视觉有三种方法：

传统计算机视觉是指用来处理诸如运动估计、全景图像拼接或直线检测等任务的编程算法。传统计算机视觉使用标准信号处理和逻辑来处理任务。工程师需要手动选择用于从图像中提取含义的函数，然后在处理任务的算法中使用所生成的特征。Canny 边缘检测算法可以找出运动的轮廓，光流算法可以找出运动的矢量，这有助于在图像或运动跟踪后续图像中分离出物体。对于需要根据此任务或环境进行校准的参数，需要手动或通过辅助算法做出调整。

经典机器学习计算机视觉需要由专家来“打造”特征集，供机器学习模型进行训练。其中许多特征是与传统计算机视觉应用所共有的。并非所有特征都有用，因此需要进行分析以去除无信息特征；机器学习算法将使用这些特征进行训练，以便找出可能难以手动分离的模式。若要有效地实现这些算法，需要具备图像处理和机器学习方面的专业知识。

深度学习计算机视觉属于机器学习，但使用的是非常庞大的神经网络模型，对大量未经处理的“原始”数据进行运算。深度学习对计算机视觉产生了重大影响，它将特征提取操作拉入模型之中，使得算法可以学习信息最丰富的特征，而无需专业知识来手动打造特征集。深度学习甚至能够更好地分离出微妙的模式，但对计算和内存的要求更高。

那么，哪一类计算机视觉最好呢？

这最终取决于表 1 中概述的几个因素。此表只是笼统地进行概括，其中的准确性和任务复杂性等指标依赖于具体用例。

方面	传统计算机视觉	经典机器学习	深度学习
精度	中等	中等	高
需要专业技术	高	高	低
复杂任务处理效果	低	中等	高
计算强度	低	中等	高
针对特定任务或环境进行调优的通用性或简单性	低；需要专家调优	中等；使用更多数据进行调优	高；使用更多数据进行调优
可解释性	高	中等偏低	低甚至无
样本或训练数据需求	低甚至无	中等	高
增长和研发兴趣	低	低	高且加速上升

表 1：计算机视觉技术比较

经典机器学习计算机视觉介于传统方法和深度学习方法之间；与其他两种方法相比，能够从中受益的应用集合规模较小。在简单直接、高通量或安全攸关的应用中，传统计算机视觉可能准确而高效。深度学习通用性超强、开发难度超低，并且在复杂应用中的准确性超高，如在高密度设计的印刷电路板 (PCB) 装配验证期间用于发现微小的缺失元件。

一些应用可以通过同时采用多种类型的计算机视觉算法而受益，相互取长补短。这种方法常用于环境非常多变的安全攸关型应用中，如驾驶辅助系统。例如，您可以并行采用基于传统计算机视觉方法的光流和深度学习模型来跟踪附近的车辆，并且使用一种算法对结果进行融合，从而确定两种方法是否一致。如果不一致，系统可能会警告驾驶员或启动安全操控。

替代方法是依次使用多种类型的计算机视觉。条形码读取器可以使用深度学习来定位感兴趣区域，对这些区域进行裁剪，然后使用传统计算机视觉算法进行解码。

深度学习在计算机视觉应用中的益处

与传统计算机视觉和经典机器学习相比，深度学习由于在研究、开源和商业社区中非常受欢迎，因此始终具有较高的准确性，并且在迅速改进。图 1 从开发者的角度总结了这三种技术在数据流方面的差异。

图 1：各种计算机视觉方法的数据流

深度学习是一种计算密集型方法。然而，由于处理能力、速度、加速器（如神经处理单元和图形处理单元）的改进，以及对矩阵和向量运算的软件支持的提升，计算要求增加的问题得以缓解，即使在嵌入式系统上也是如此。诸如 AM62A7 等微处理器可以利用硬件加速器，以很高的帧率运行深度学习算法。

计算机视觉实践

TI AM6xA 产品组合（如 AM62A7）中的处理器包含深度学习加速硬件和辅助软件，有利于传统及深度学习计算机视觉任务。在 TDA4VM 和 AM68PA 等处理器上，数字信号处理器内核（如 C66x）以及用于光流和立体声深度估计的硬件加速器还能为高性能传统计算机视觉任务赋能。

借助能够同时支持传统计算机视觉和深度学习计算机视觉的处理器，将有可能打造出与科幻梦想相媲美的工具。自动购物车将会简化购物过程；手术和医疗机器人将指导医生发现早期疾病征兆；移动机器人将会修剪草坪和递送包裹。请参阅 TI 的边缘 AI 视觉页面，探究嵌入式计算机视觉如何改变世界。

电机驱动器创新如何助力应对机器人运动设计挑战

Kevin Chen1 — Fri, 27 Oct 2023 04:04:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: TMS320F28P650DK, DRV8353F, LMG3422R050, TMS320F28065, MCT8316A

从辅助外科手术到在制造工厂里举起数千公斤的重物，机器人为我们生活的许多方面提供了便利。机器人对现代化世界的影响显而易见，但您是否思考过机器人系统如何实现如此精确、快速和强大的运动？如果答案是通过电机，那么恭喜您回答正确！

机器人往往是模仿本应由人类执行的操作；有鉴于此，它的功能主要包括通过某种形式的位移或旋转来调整位置和方向，这些运动一般通过电机实现。

传统的机器人应用场景主要专注于机械驱动（如手臂操纵或传送带循环），而现代应用场景则简单得多，就像相机旋转或精准机械光束转向激光雷达传感器。您可能会惊讶地发现，电机的基本应用是最基础不过的风扇和泵，但实际上却对散热和液压起着重要作用。

点击查看视频：了解 TI 如何凭借创新型半导体增强机器人性能

举例来说，机械臂关节中的无刷直流 (BLDC) 电机（如图 1 所示）通常包括旋转的转子和保持静止的定子。应用电信号使定子上的线圈绕组通电能够形成磁场，从而产生磁力，使转子运动，进而旋转机械臂内的关节。合理使用电子信号，机械臂不仅仅会运动，更能够以特定的速度、位置精度和扭矩运动。

图 1：BLDC 电机结构横截面图

电机如何驱动下一代机器人

除了涉及到运动的精确和强大任务外，微控制器 (MCU) 和集成电机驱动器等电机控制半导体的进步正在优化机器人的运动方式，而要实现这一目标却面临着 4 大挑战。

挑战 1：实现人机协作的安全性要求不断提高

过去，出于安全性考虑，人类和机器人需要严格分离，通常是将机器人放在笼子里。自动化程度的提高需要更紧密的人机协作和互动，协作机器人有助于提高工作效率，但需要能够确保安全停止、安全速度、扭矩和运动控制的电机。

C2000™ 32 位 TMS320F28P650DK MCU 等器件在帮助满足安全性要求方面发挥着至关重要的作用。这些器件的功能安全性经过认证，可以集成用于诊断的安全外设，从而简化符合国际标准化组织 (ISO) 10218 标准的设计。在频谱的模拟端，DRV8353F 等智能栅极驱动器可以通过经 TÜV SÜD 认证的技术报告帮助工程师实现其安全目标。该支持文件可指导工程师完成根据 IEC 61800-5-2 标准实现安全扭矩关闭所需的设计步骤。无论是 MCU 还是栅极驱动器，借助某些元件都可以简化设计过程，实现功能安全的电机系统。

挑战 2：通过分散式电机架构减轻重量、简化布线并降低成本

电机电子设备正从采用控制柜转为直接集成到机器人关节中，这有助于减轻重量、简化布线并降低系统成本。这一趋势促使元件制造商致力于开发能在更小巧的集成电路封装内集成更多功能的解决方案。空间限制也要求具备更高的功率密度和电源效率。

氮化镓场效应晶体管（如 LMG3422R050）集成了栅极驱动器，可以将功率级效率提高到 99% 以上，从而使集成电机减少或消除对散热器的需求。借助实时通信外设和绝对编码器接口，采用 TMS320F28065 等 MCU 的系统可以产生分辨率为皮秒级的脉宽调制信号。这些特性实现了将布线从每个电机 10 多条电缆减少到整个机械臂共两条总线。在此配置中使用 MCU 和 GaN 场效应晶体管，使设计人员能够通过以太网物理层收发器（如 DP83TG721）添加单对以太网功能来优化有线连接。

挑战 3：实现精确运动任务自动化需要更高的精度和准确度

产品小型化对许多应用的电机选择（伺服、步进或无刷直流电机）产生了一定影响，并且电机控制和位置反馈复杂性随之提高，以便能够实现与这些小型产品进行互动的精确运动。半导体创新使实现产品小型化所需的更高精度成为可能。例如， AMC3306 等电流传感器具有± 50µV 失调电压和集成式电源。将这些特性集于一个封装中，既可以提高控制回路的精度，又可以缩减印刷电路板的整体尺寸。

挑战 4：优化电源效率，实现电池供电的移动应用

机器人并不只是固定于一处，其应用正趋向于移动化，用于帮助自动递送包裹和安全探索地形。当前和未来用于感应、处理和实时控制应用的半导体需要在高性能和电源效率之间实现平衡，从而确保合理的电池使用寿命和可能的行程范围。

实现高电源效率并不一定十分复杂，也不需要使用多个分立元件的复杂设计方法。例如，像 MCT8316A 这样的单电机控制器可以通过减少机器人中功耗元件的数量来有效地操作小型泵和风扇电机。这款高度集成的器件包括六个金属氧化物半导体场效应晶体管，可形成用于输送电机电流的半桥功率级，以及一个数字核心，无需编写代码即可实现简单的梯形电机控制。

电机控制的未来发展前景如何？

未来的机器人定会超乎想象，它们能轻松完成今天看来不可能完成的任务 - 频繁在海洋最深的海沟中作业，或在未知的太空中冒险。新型设计可能会采用越来越先进的传感器，正如我们目前所看到的激光雷达和超声波技术。从过去的有线机器人到现在更多地采用面向软件的解决方案，我们与机器人交流的方式甚至可能发生变化。可访问性的增强使得能够通过语音、视觉表达甚至仅仅是思维来更可靠地控制机器人。在这种演变过程中，随着机器人技术和应用的不断发展，驱动其运动所需的电机也势必不断发展。

使用多协议工业以太网系统简化工厂自动化设计

Kevin Chen1 — Thu, 28 Sep 2023 03:39:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: AM6442, AM2434

传感器、执行器、驱动器和可编程逻辑控制器 (PLCs) 等工厂自动化设备支持多种工业以太网协议（例如 EtherCAT、Profinet、以太网工业协议 (EtherNet/IP) 和 Sercos），每种协议均可通过在硬件平台上加载不同的软件映像进行替换。

多协议工业以太网系统可在硬件开发周期内降低制造成本，通过仅要求制造单个印刷电路板来降低物料清单成本，从而加快产品上市时间。制造商可以使用不同的工业以太网协议为工厂自动化提供现场设备，如数字输入模块或伺服驱动器。

诸如德州仪器的可编程实时单元工业通信子系统 (PRU-ICSS) 等架构，能够支持现场器件 1,000Mbps 的工业以太网速率，特别是在采用新的时间敏感型网络 (TSN) 协议的情况下。

工业以太网系统架构

图 1 展示了工业以太网现场器件中，与 PLC 和其他现场器件交换过程数据的主要元件。其中，两个以太网端口支持线型或环型以太网拓扑，这表示 PLC 通过以太网电缆连接到一系列现场器件，无需以太网交换机。

图 1：工业以太网现场器件系统方框图

从 RJ45 连接器上，介质相关接口 (MDI) 连接到磁性元件，这些磁性元件在以太网帧到达以太网物理层 (PHY) 收发器之前提供与其他器件的隔离栅。PHY 将以太网帧进行模数转换（接收器）和数模转换（发送器），并通过介质独立接口 (MII)、简化千兆位介质独立接口 (RGMII) 或串行千兆位介质独立接口 (SGMII) 输出数字比特流。

PHY 在工业以太网中发挥着重要的作用，其重要性与介质访问控制器 (MAC) 相当。PHY 必须支持不同线对（用于 T1 单线对以太网的单线对、用于 100Mbps 以太网的双线对和用于 1,000Mbps 以太网的四线对）的铜介质，具体取决于 MDI。部分工业以太网网络还支持光纤，光纤具有更好的电磁兼容性 (EMC) 并能在严苛的工业环境中更好地抵御电磁干扰。

接下来，以太网字节流通过 MII 进入 MAC。MAC 负责工业以太网协议，是用于实现多协议工业以太网支持的重要功能块。

由于每种工业以太网协议在提取和插入过程数据时处理工业以太网帧的方式各异，MAC 处理方法必须针对每种协议进行变化。MAC 等应用特定集成电路解决方案通常固定为使用单个协议，不具备多协议能力。支持多协议的 MAC 必须支持多种以太网帧处理方法，例如动态处理、直通转发、帧抢占以及存储转发。

MAC 可通过接口将来自 PLC 的过程数据传输到中央处理单元 (CPU)。如果 MAC 是物理上独立的器件，该接口速率较低（串行外设接口 (SPI) 或 I²C，或者存储器映射外部总线）。如果 MAC 与 CPU 集成，共享高速存储器提供该接口并在 MAC 和 CPU 之间同步过程数据。

CPU 执行多种任务。每种工业以太网协议均需要一个软件栈来与 MAC 进行交互，以便交换过程数据。现场器件使用此过程数据来控制数字输入和输出或控制伺服驱动器的速度和旋转。

如果系统包含多个 CPU，通常的做法是将工作负载进行拆分，其中工业以太网栈运行在其自身的 CPU 上，工业应用运行在其他 CPU 上。可以在 CPU 内核上运行不同种类的操作系统 (OS)：高级操作系统（例如 Linux 或实时 Linux）或实时操作系统 (RTOS)（例如 Free-RTOS 或 no-OS）。

用于多协议工业以太网的德州仪器 Sitara™系列解决方案和德州仪器以太网 PHY

德州仪器Sitara^™处理器系列支持可编程 MAC 以及与其集成的 PRU-ICSS 外设。PRU 在运行时加载任一工业以太网协议固件。Sitara AM6442 如图 2 所示，AM2434 和 AM2434 支持 1,000Mbps 协议，例如 TSN。PRU-ICSS 还充当标准以太网 MAC 和两端口以太网交换机。

图 2：用于实现多协议工业以太网支持的 Sitara AM6442 处理器解决方案和 PRU-ICSS

德州仪器 Sitara^™处理器系列能够支持 PRU-ICSS 的多个实例，从而支持位置编码器（EnDAT 2.2、HIPERFACE 数字伺服链路 [DSL]、双向串行同步 [BiSS]）、脉宽调制 (PWM) 以及用于外部隔离式模数转换器的 Δ-Σ 抽取滤波器等工业外设。伺服驱动器使用这些外设。

德州仪器 Sitara^™处理器还集成工业应用使用的多种功能，包括 ADC、SPI、I²C 和通用存储器控制器。片上系统还具有内部共享存储器，用于在 MAC 和 CPU 之间交换过程数据。

如图 3 所示，德州仪器 Sitara^™处理器系列具有适用于高级操作系统 (HLOS) 的多个 Arm^®Cortex^®-A53 内核，适用于 RTOS 或裸机应用的多个 Arm Cortex-R5F 内核以及适用于工业以太网 MAC 的 PRU-ICSS。

图 3：使用 RTOS、HLOS 和固件的多核处理

通过集成可编程 MAC 的方法，支持多协议工业以太网所需的不同帧处理方法，并且将应用处理器置于单个芯片上。通过内部高速存储器接口，可实现处理器和 MAC 之间过程数据的快速交换，并且该系列提供可扩展的处理器内核。

德州仪器提供了适用于 Sitara^™处理器系列的评估模块 (EVM) 以及使用 DP83867 或 DP83869 以太网 PHY 收发器的以太网 PHY 解决方案。

其他资源

详细了解 AM64x 和 AM24x 软件开发套件 (SDK) 中适用于 100Mbps 和 1,000Mbps 以太网的工业协议。
详细了解适用于 Sitara^™处理器的 PRU-ICSS 工业软件以及可用的集成工业协议。
详细了解德州仪器工业通信 Academy。
查看 Sitara^™AM64x EVM。
订购 AM243x Arm^®MCU 通用 LaunchPad^™开发套件。

GaN 如何在基于图腾柱 PFC 的电源设计中实现高效率

Kevin Chen1 — Mon, 31 Jul 2023 03:30:00 GMT

几乎所有现代工业系统都会用到 AC/DC 电源，它从交流电网中获取电能，并将其转化为调节良好的直流电压传输到电气设备。随着全球范围内功耗的增加，AC/DC 电源转换过程中的相关能源损耗成为电源设计人员整体能源成本计算的重要一环，对于电信和服务器等“耗电大户”领域的设计人员来说更是如此。

氮化镓 (GaN) 可提高能效，减少 AC/DC 电源损耗，进而有助于降低终端应用的拥有成本。例如，借助基于 GaN 的图腾柱功率因数校正 (PFC)，即使效率增益仅为 0.8%，也能在 10 年间帮助一个 100MW 数据中心节约多达 700 万美元的能源成本。

选择合适的 PFC 级拓扑

世界各地的政府法规要求在 AC/DC 电源中采用 PFC 级，以便从电网中获取纯净电能。PFC 将交流输入电流整形为与交流输入电压相同的形状，从而充分提高从电网获取的实际功率，使电气设备可等效为无功功率为零的纯电阻。

如图 1 所示，传统 PFC 拓扑包含升压 PFC（交流线路后有全桥整流器）和双升压 PFC。传统升压 PFC 是一种常见的拓扑，包含具有较高导通损耗的前端桥式整流器。双升压 PFC 能够降低导通损耗，它没有前端桥式整流器，但却需要额外的电感器，因而在成本和功率密度方面受到一定影响。

图 1：PFC 拓扑。左图：双升压 PFC；右图：升压 PFC

其他可能提高效率的拓扑包括交流开关无桥 PFC、有源桥式 PFC 和无桥图腾柱 PFC（如图 2 所示）。交流开关拓扑在导通状态时使用两个高频场效应晶体管 (FET) 导电，在关断状态时使用一个碳化硅 (SiC) 二极管和一个硅二极管导电。有源桥式 PFC 用四个低频 FET 取代连接到交流线路的二极管桥式整流器，但这需要额外的控制和驱动器电路。有源桥式 PFC 在导通状态时使用三个 FET 导电，在关断状态时使用两个低频 FET 和一个 SiC 二极管导电。

相比之下，图腾柱 PFC 在导通和关断状态下都只用一个高频 FET 和一个低频硅 FET 导电，在三种拓扑中的功率损耗最低。此外，图腾柱 PFC 所需的功率半导体元件数量较少，综合考虑整体元件数量、效率和系统成本，它非常富有吸引力。

图 2：各种助力效率提升的 PFC 开关拓扑

GaN 在图腾柱 PFC 中的作用

传统的硅金属氧化物半导体 FET (MOSFET) 不适合图腾柱 PFC，原因在于 MOSFET 的体二极管具有非常高的反向恢复电荷，会导致高功率损耗和击穿损坏的风险。SiC 功率 MOSFET 与硅相比有了微小改进，固有体二极管的反向恢复电荷较低。

另外，GaN 提供零反向恢复损耗，在三种技术中具有最低的总体开关能量损耗 - 比同类 SiC MOSFET 低 50% 以上。这主要是因为 GaN 具有更高的开关速度（100V/ns 或更高）、更低的寄生输出电容和零反向恢复。GaN FET 中没有体二极管，完全消除了击穿风险。

TI 近期与 Vertiv 就一项设计展开合作，使其 3.5kW 整流器达到了 98% 的峰值效率，与前代硅 3.5kW 整流器 96.3% 的峰值效率相比，实现了 1.7% 的效率增益。这种效率优势在实际示例中体现为，使用基于 GaN 的图腾柱 PFC 可以帮助一个 100MW 数据中心在 10 年内节省多达 1490 万美元的能源成本，同时还可以减少二氧化碳排放。

TI GaN 的反向恢复损耗为零，并且输出电容和重叠损耗较低，使得台达电子的 PFC 在数据中心的高能效服务器电源中达到高达 99.2% 的峰值效率。借助 TI GaN FET 内部的集成栅极驱动器，FET 能够达到高达 150V/ns 的开关速度，降低高开关频率下的总体损耗，使台达实现 80% 的功率密度提升，同时效率提高 1%。

GaN 技术在图腾柱 PFC 设计中的优势毋庸置疑。越来越多的电源设备设计人员转为采用 GaN，并且 GaN 制造商不断发布创新产品，电信和服务器电源设计人员可以期待功率密度和能效的持续改进。

其他资源

查看相关 TI 参考设计：
了解有关 TI 和台达电子合作的更多信息。

碳化硅如何最大限度提高可再生能源系统的效率

Kevin Chen1 — Mon, 03 Jul 2023 09:23:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: UCC21710

全球范围内正在经历一场能源革命。根据国际能源署的报告，到 2026 年，可再生能源将占全球能源增长量的大约 95%。太阳能将占到这 95% 中的一半以上。

如今，在远大的清洁能源目标和政府政策的驱动下，太阳能、电动汽车 (EV) 基础设施和储能领域不断加快采用可再生能源。可再生能源的逐渐普及也为在工业、商业和住宅应用中部署功率转换系统提供了更多机会。采用碳化硅 (SiC) 等宽带隙器件，可帮助设计人员平衡四大性能指标：效率、密度、成本和可靠性。

SiC 相比传统基于 IGBT 的电源应用在可再生能源系统中的优势

SiC 电源开关和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 是可再生能源系统等高功率应用的常用电源开关。图 1 展示了 SiC 电源开关和 IGBT 的典型开关频率和功率级别。两者均可适用于 1kW 及以上的功率级别。

图 1：电源开关的典型工作范围

SiC 电源开关与 IGBT 等传统硅电源开关相比，在高功率可再生能源应用中具有诸多性能优势。

第一个性能优势是相对于 IGBT 具有更低的电阻和电容，可降低功率损耗并有助于提升效率。SiC 电源开关可支持远高于 IGBT 的开关速度，从而帮助降低开关损耗并提升功率转换效率。这意味着更高的能源产量，最大限度提升功率转换器的输出，在光伏逆变器、储能系统或直流快充电源模块等可再生能源系统中至关重要。

很多可再生能源应用的运行面积较小，会产生大量热量，推动设计人员不断探寻缩减印刷电路板尺寸和最大程度进行散热的方法。SiC 比 IGBT 的工作温度高，使得 SiC 电源开关具有更高的热稳定性和机械稳定性，可实现更为紧凑的电力电子产品设计。

使用栅极驱动器驱动 SiC

基于 SiC 电源开关的特性，驱动 SiC 电源开关需要特殊考量。栅极驱动器选择会对 SiC 在应用中的性能产生合理范围内的影响。

SiC 电源开关需要能够处理高电压和额定电流的栅极驱动器。栅极驱动器必须提供足够的栅极电荷来切换 SiC 电源开关并防止产生电压尖峰。

与 IGBT 相比，SiC 电源开关更容易受到短路的影响，导致电力电子系统严重损坏。通常，IGBT 的短路耐受时间大约为 10µs，而 SiC 的短路耐受时间大约为 2µs。鉴于此，使用 SiC 电源开关进行设计时，务必要考虑添加提供去饱和或过流保护等特性的保护元件。部分栅极驱动器，如 UCC21710 栅极驱动器，具有内置的短路保护特性，可检测并响应短路事件。如需了解有关用于 SiC FET 的短路保护方法的更多信息，请参阅应用手册“了解用于 SiC MOSFET 的短路保护方法”。

尽管 SiC 电源开关可在较高温度环境中运行，但监控 SiC 电源开关的热性能并防止过热仍然非常重要。除了内置的短路保护特性，UCC21710 还具有用于监控的集成传感器，无需部署分立式温度传感器。

结语

要充分利用可再生能源系统的电源输出，必须最大限度提高效率，同时实现成本、尺寸和可靠性的平衡。SiC 电源开关在高功率应用中具有诸多优势，是太阳能和电动汽车充电的理想选择。为最大程度地提升 SiC 对这些应用的影响力，TI 提供了针对 SiC 电源开关进行优化的栅极驱动器产品，这些栅极驱动器产品具有多个功率级别以及不同程度的集成保护，可帮助简化 SiC 电源设计。

其它资源

查看我们的隔离式栅极驱动器参考设计：
- 10kW 双向三相三级（T 型）逆变器和 PFC 参考设计
- 具有辅助电源的智能隔离式栅极驱动器参考设计
了解有关 UCC21710 单通道隔离式栅极驱动器的更多信息。

选择合适的集成度来满足电机设计要求

Kevin Chen1 — Mon, 05 Jun 2023 03:03:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: UCC21732, UCC27712, DRV8329, DRV8962, MCT8329A, MCF8315A

这篇文章是我们运动控制技术文章系列的第三篇（第一篇 |第二篇）。

如果您正在设计电机驱动应用，以往您可能会使用如双极结型晶体管 (BJT) 等多个分立式元件来实现电机控制。尽管这种方法通常成本更低，但使用的元件总数更多，占用的布板空间更大，花费的设计时间更长，复杂度也更高。使用多个元件还可能会影响系统可靠性。

随着应用的复杂度增加、功率提高、占用空间减小，集成变得至关重要。集成解决方案可以缩短设计时间、简化采购流程以及节省成本，同时还可以确保电机系统更加可靠和高效。

在本文中，我将对不同的电机控制实现方案进行比较，包括分立式和完全集成式选项，从而帮助您找到适合您设计的方法。表 1 比较了各种电机控制选项的集成度。

表 1：用于驱动电机的集成度

采用分立式方法进行电机控制

图 1 展示了控制单元（如微控制器 (MCU)）处理电机状态的反馈，并发送信号来调节电机的扭矩、位置和速度。栅极驱动器将来自 MCU 的信号放大，以驱动电机的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

图 1：基本电机控制方框图

您可以使用 BJT 图腾柱/推挽电路作为栅极驱动电路来驱动单个 MOSFET，如图 2 所示。尽管此方法成本很低且易于实现，但 BJT 图腾柱电路所需的外部元件数量较多且占用的布板空间较大。此外，您必须复制此分立式电路，因为您需要多个 MOSFET 来驱动电机，致使所需的元件数量和布板空间成倍增加。

图 2：采用分立式 BJT 图腾柱/推挽电路实现栅极驱动器方框图

第一个集成选项：栅极驱动器 IC

基本栅极驱动器 IC 将图腾柱的功能集成到单个封装内。最近的工艺技术不断创新，使得栅极驱动器 IC 与分立式 BJT 一样实惠。

在选择栅极驱动器 IC 时需要考虑几个注意事项，例如通道数以及最适合电机功率级别的电压和电流能力，如图 3 所示。

集成式栅极驱动器 IC 包括：

单通道栅极驱动器（如德州仪器 (TI) 的 UCC21732），通常用于驱动高侧和低侧高压 (>700V) 电源开关（如绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)）的交流电机。
双通道半桥栅极驱动器（如 UCC27712），用于驱动 IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 电机
四通道 H 桥驱动器和六通道三相电机栅极驱动器（如 DRV8329），专为低压 MOSFET (<60V) 直流电机设计

随着电机功率级别的变化，使用栅极驱动器可以保持以前的设计，同时只改变外部 FET 以适应新的电压和电流电平。

图 3：驱动外部 FET 的栅极驱动器 IC 类型

栅极驱动器涵盖具备基本功能（如防止跨导的欠压锁定和联锁保护）的驱动器，以及具备高级功能（如用于压摆率控制和自动死区控制的智能栅极驱动技术）的驱动器。了解有关这些栅极驱动器的更多信息，请参阅“了解智能栅极驱动”应用手册。

传统上而言，由以下外部元件设置压摆率：两个源极和漏极电阻器（用于限制 MOSFET 栅极的电流）、一个二极管（用于单独调节上升和下降速率），以及一个下拉电阻器。借助智能栅极驱动技术，可以不再使用这些元件，而且可通过串行外设接口灵活调节压摆率。

六通道驱动器采用智能栅极驱动技术，无需使用多达 24 个分立式元件，节省了布板空间，也减少了物料清单 (BOM) 数量。栅极驱动器还集成了其他保护和诊断功能，包括电流检测、过流和过热保护、故障检测甚至隔离功能，这进一步减少了元件数量。

第二个集成选项：电机驱动器 IC

电机驱动器 IC 包括栅极驱动器和集成 FET，非常适合低功率电机系统 (<70W)，如图 4 所示。与栅极驱动器相比，电机驱动器 IC 的占用空间更小；集成了 FET 功率级，从而简化了设计原理图和布局。与栅极驱动器 IC 一样，电机驱动器 IC（如 DRV8962）也集成了保护和诊断功能。

图 4：具有集成 FET 的 H 桥和三相电机驱动器

在选择电机驱动解决方案时，务必要考虑内部 FET 的 R_DS(ON)、峰值电流和均方根电流。考虑到内部 FET 的功率耗散，还需要执行热计算。

第三个集成选项：集成控制栅极驱动器 IC

与前两个选项不同，集成控制栅极驱动器 IC（如 MCT8329A）无需 MCU 即可进行电机控制。这些 IC 仍然具有具备保护和诊断功能的栅极驱动器，同时纳入了控制算法而无需 MCU 辅助，如图 5 所示。

电机换向算法的实现可能很复杂，无论是梯形控制、正弦控制还是磁场定向控制。集成控制栅极驱动器 IC 提供了一种无代码解决方案，可在内部处理换向算法，从而帮助您缩短设计时间，简化编码、调试和测试的复杂性。

图 5：集成控制三相栅极驱动器

借助集成控制栅极驱动器 IC，通过传感器控制或无传感器控制可灵活实现电机换向。采用传感器控制方法，可以使用外部霍尔效应传感器来检测转子位置；这些 IC 可以采用霍尔效应传感器输入，并利用电机控制算法来安静高效地驱动电机。相比之下，采用无传感器控制实现方法，无需使用外部霍尔效应传感器，从而减少了布板空间和 BOM。如果选择无传感器集成控制栅极驱动器 IC，则需要通过集成电流检测测量反电动势（反 EMF）电压，并在内部计算电机位置。

第四个集成选项：集成控制、栅极驱动器和 FET IC

最后一个集成选项通常称为“完全集成”，如图 6 所示。集成控制、栅极驱动器和 FET IC（如 MCF8315A）将无代码控制功能、具有保护和诊断功能的驱动器以及 FET 集成在一个芯片内，因此占用的布板空间更小、BOM 更少。与电机驱动器 IC 选项类似，集成控制、栅极驱动器和 FET IC 解决方案受到内部 FET 的功能限制，因此需要进行电流和热计算。

图 6：完全集成 - 电机控制、驱动器和 FET

结语

这些不同级别的 IC 不仅可满足电机的功率级别要求，还可以缩短设计时间、节省成本和降低复杂性。集成器件还可以解决家用电器中的可闻噪声以及工厂自动化和机器人技术中的高精度控制等难题。

用于集成太阳能和储能系统的 5 种转换器拓扑

Kevin Chen1 — Mon, 08 May 2023 08:55:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: TIDA-01606, TIDA-010210

储能系统价格变得越来越实惠，电价也在上涨，因此对可再生能源的需求不断增加。许多住宅现在使用太阳能发电和电池储能相结合的系统，确保在太阳能无法满足需求时能够提供能源。图 1 展示了一个住宅用例，图 2 展示了如何将典型的光伏逆变器系统与储能系统进行集成。

图 1：一种住宅用太阳能发电和储能系统安装方案

图 2：具有储能系统的典型光伏逆变器系统

理想情况下，这种类型的系统具有可实现交流/直流和直流/直流转换和高功率密度的高效电源管理组件（具有尽可能小的解决方案尺寸），这些组件具有高度可靠性（损耗超低）并有助于将产品快速推向市场。然而，这些要求并非总能同时实现，需要就这些子块的理想电源转换拓扑进行权衡。

交流/直流和直流/直流降压和升压电源转换器的现有电源拓扑的共同点是具有交错运行的半桥或转换器分支，旨在用于提高直流/直流转换器中的功率级别，或者通过放置三个以 120 度相移运行的分支在交流/直流逆变器或功率因数校正级中实现三相工作模式。图 3 所示为五种电源拓扑的简化原理图。

图 3：半桥电源拓扑和等效分支电源拓扑

拓扑 1：在两级转换器拓扑结构中，脉宽调制 (PWM) 信号作为补充应用于功率器件 Q1 和 Q2（具有时间延迟，以避免因开关信号重叠而发生击穿）。对于输出端的正正弦波，Q1 应用的占空比为 >50%。对于输出端的负正弦波，Q2 的占空比为 >50%。控制输出功率是一个简单的概念，但线路滤波器之前的输出信号具有一个全总线电压摆幅，这种情况下需要更大的滤波器来减少电磁干扰。进入滤波器的纹波频率是 PWM 频率，会影响滤波器的大小。

与两级转换器相比，三级拓扑允许使用更小的无源器件，并且具有更低的 EMI。共有四种三级拓扑：

拓扑 2：T 型拓扑结构因晶体管围绕中性点 (V_N) 的排列方式而得名。Q1 和 Q2 于直流链路连接，而 Q3 和 Q4 则与 V_N串联。滤波器看到的纹波频率等于施加在开关 Q1 至 Q4 上的 PWM 频率。这决定了需要使用多大的滤波器元件才能在交流线路频率下实现所需的低总谐波失真。Q1 和 Q2 会看到全总线电压，当系统中的直流链路电压为 800V 时，额定的全总线电压需要达到 1,200V。由于 Q3 和 Q4 连接到 V_N，它们只看到全总线电压的一半，在 800-V 的直流链路电压系统中，它们的额定电压为 600V，这可以节省转换器类型的成本。了解 10kW 双向三相三级（T 型）逆变器和 PFC 参考设计。
拓扑 3：在有源中性点箝制 (ANPC) 转换器拓扑结构中，V_N与有源开关 Q5 和 Q6 连接，并将 V_N设置在直流链路电压的中间。与 T 型转换器一样，滤波器看到的纹波频率等于用来确定交流线路滤波器尺寸的 PWM 频率。这种架构的优点是所有开关的额定电压都是最大直流链路电压的一半；在 800V 系统中，可以使用额定电压为 600V 的开关，因此有助于节省成本。关闭此转换器时，务必将每个开关上的所有电压限制为直流链路电压的一半。换句话说，控制微控制器 (MCU) 需要处理关断时序。TI 的 TMS320F280049C 和 C2000^TM产品系列中的其他器件具有可配置的逻辑，允许在硬件中实现关机逻辑，以卸下 MCU 的软件任务。了解基于 GaN 的 11kW 双向三相 ANPC 参考设计。
拓扑 4：中性点箝制 (NPC) 转换器拓扑结构来自 ANPC 拓扑结构。这里的 V_N通过二极管 D5 和 D6 连接，将 V_N设置在直流链路电压中间。滤波器看到的输出纹波频率等于用来确定交流线路滤波器尺寸的 PWM 频率。与 ANPC 拓扑一样，所有开关的额定电压都是最大直流链路电压的一半，但有另外两个开关需改为两个快速二极管。与 ANPC 拓扑相比，NPC 拓扑的成本略有降低，但代价是效率也略有降低。关断时序的要求也与 ANPC 拓扑相同。从上述 ANPC 参考设计中很容易推导出 NPC 拓扑。
拓扑 5：飞跨电容型拓扑结构已经告诉你在这个转换器中发生了什么；一个电容器连接到由 Q1 和 Q2 以及 Q3 和 Q4 实现的叠加半桥的开关节点。电容器上的电压限制为直流链路电压的一半，并在 V+/V– 之间周期性漂移；漂移时会进行电源输送。这种拓扑在正正弦波和负正弦波期间使用所有开关。在这种拓扑中，滤波器看到的输出纹波频率是飞跨电容器每个周期漂移时提供的 PWM 频率的两倍，因此交流线路滤波器的尺寸更小。同样，所有开关的额定电压都是最大直流链路电压的一半，因此有助于节省成本

表 1 列出了不同拓扑的优点和挑战。

在 2L 中采用 TIDA-01606

T 型 3L

TIDA-01606

ANPC

TIDA-010210

NPC 3L

源自 ANPC

FC3L

飞跨电容器 3L

优点

简单的控制方案
仅 2 个开关
2 PWM

简单的控制方案
Q3/Q4 看到 1/2 VDC
EMI 优于 2L
f_RIPPLE = f_PWM

效率高
所有开关看到 1/2 V_DC
EMI 优于 2L

成本低于 ANPC
所有开关看到1/2 V_DC
EMI 优于 2L
f_RIPPLE = f_PWM
4 PWM

最高效率
仅 4 个 HF FET（和 1 个电容器）
f_RIPPLE =2 f_PWM
磁性元件最小
EMI 最低

挑战

Q1/Q2看到1/2 VDC
EMI 大于 f_PWM
无源器件的尺寸最大

Q1/Q2看到1/2 VDC
4 PWM

更加复杂的控制方案
关断时序至关重要
6 PWM

效率低于 ANPC
更加复杂的控制方案
关断时序至关重要

飞跨电容器初次充电
关断时序至关重要

表 1：不同转换器拓扑的优点和挑战

与传统的两级转换器相比，所有四种三级拓扑在功率密度（具有尽可能小的解决方案尺寸）、高度可靠运行和快速推向市场方面具有明显的优势。使用宽带隙器件和高性能 MCU 以合理的成本进一步增强了这些优势。

如何根据额定电压为 RS-232、RS-485 和 CAN 选择 TVS 二极管

Kevin Chen1 — Fri, 21 Apr 2023 05:50:00 GMT

在许多工业和汽车应用中，保护接口收发器免受各种电过应力事件的影响是一个主要问题。瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管常用于上述用途，因为它们可以通过生成低阻抗电流路径来钳制电压尖峰。

TVS 二极管的电气特性由几个工艺因素决定。这些参数与 TVS 电压、电流和额定功率相关，具有多种多样的数值，以适应各种应用。但通过查看元件数据表，就会发现选型并不简单。在本文中，我将讨论电压参数并展示哪种 TVS 二极管适用于 RS-232、RS-485 和控制器局域网 (CAN) 应用。当然，峰值脉冲功率耗散和峰值脉冲电流也是关键参数，它们决定了系统中的放电能力和静电放电 (ESD) 水平。但在这里，我将重点介绍电压。

TVS 电压参数 VWM、VBR 和 VC

当出现不需要的高压瞬变时，TVS 二极管应起到钳位的作用；当收发器在正常条件下工作时，它们也应该是“透明的”。因此，首先要查看数据表上的额定关断电压 VWM 这个参数。VWM 也称为额定工作电压，低于该电压则 TVS 为开路，并具有低待机漏电流。

在选型时，您希望 VWM 大于推荐的收发器工作区域。随着输入电压升高，TVS 开始击穿并在 VBR 处传导更多电流。但更重要的是最高电压参数 VC，即大电流脉冲条件下的钳位电压。VC 表示特定脉冲电流下的最大钳位电压。将 VC 与收发器参数进行比较时，您要确保它不超过集成电路 (IC) 的绝对最大额定电压。“绝对最大值”是收发器在任何时候所允许的最大电压限值。任何高于该限值的电压都会使收发器处于不安全的运行区域，并可能导致彻底损坏。

示例：RS-232、RS-485 和 CAN 收发器的 TVS 选型

我将介绍几个 RS-232、RS-485 和 CAN 收发器的示例器件及其 TVS 二极管的选型。我从各自的数据表中获取了相关参数，我想通过介绍这些参数值，让您了解不同的元件如何协同工作。

TI 的 MAX3232 是一款常见的 RS-232 收发器，具有两个发送器和两个接收器。我在图 1 和图 2 中突出显示了两个重要参数，分别是 ±5.4V 的工作电压和 ±13.2V 的绝对最大驱动器输出电压。在 RS-232 标准中，信号摆幅应在 ±5V 以上。在这里，您可以给它留出一些裕度。

图 1：MAX3232 驱动器工作电压

图 2：MAX3232 驱动器绝对最大额定值

适用于 MAX3232 的 TVS 二极管是 Bourns 的 SMBJ8.0CA。在图 3 中可以看到，峰值反向工作电压为 8V，最大钳位电压为 13.6V。

图 3：SMBJ8.0CA 峰值反向工作电压和最大钳位电压

接下来，我们来看看 8 引脚 RS-485 收发器，即 TI 的 THVD1500。根据 RS-485 标准，RS-485 收发器可以在宽共模范围（-7V 至 12V）下工作（图 3）。如图 4 所示，THVD1500 总线引脚的绝对最大电压为 ±18V。

图 4：THVD1500 驱动器工作电压

图 5：THVD1500 驱动器绝对最大额定值

SM712 是用于 RS-485 应用的常见 TVS 二极管。此 TVS 具有不对称的反向关断电压，可匹配 RS-485 应用的共模工作范围。此外，其钳位电压接近TI THVD1500 的限值，如图 6 所示。

图 6：SM712 反向关断电压和钳位电压

最后但同样重要的是，TI SN65HVD1040A 8 引脚 CAN 收发器具有相当高的绝对最大电压（图 7），这可简化 TVS 的选型。与 RS-485 类似，CAN 总线也可以容忍一些共模电压变化（图 8）。

图 7：SN65HVD1040A 驱动器绝对最大额定值

图 8：SN65HVD1040A 驱动器工作电压

综合所有因素，Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 是适合 SN65HVD1040A 的一款器件。该器件提供 24V 的反向工作电压和 36V 至 40V 的钳位电压。为了节省空间，我没有在这里复制数据表。但我相信，根据前两个示例，找到相关参数不会太难。

同样，电压参数只是 TVS 器件电气特性的一部分，但它们是选择 TVS 时的首要考虑因素。要更好地了解 TVS 器件的全部特性，您还可以查看其他参数，例如峰值功率和峰值电流。

其他资源：

Michael Peffers 的博客文章“CAN 总线收发器如何防范 ESD 和瞬变”包含有关使用 SM712 保护 CAN 收发器的更多详细信息，并包含有关国际电工委员会 (IEC) 61000-4-2 ESD 标准的信息
如需了解 CAN 总线收发器如何防范 ESD 和瞬变，请点击此处
查看用于绝对编码器的高 EMC 抗扰度 RS-485 接口参考设计和绝对位置编码器通用数字接口参考设计
详细了解 CAN/LIN、RS-485/RS-422 和 RS-232 收发器

RS-485 基础知识：失效防护偏置网络的两种方法

Kevin Chen1 — Fri, 21 Apr 2023 05:46:00 GMT

在本系列的上一部分中，我介绍了何时需要端接 RS-485 网络以及如何实施标准和交流端接方案。在这一部分中，我将介绍处理空闲总线条件的两种常见方法，以便保证总线上的逻辑状态。

由于 RS-485 是一个多点拓扑网络并且无法处理争用，因此，有时候总线上的所有 RS-485 收发器都呈现高阻抗，并且没有主动驱动逻辑状态。这通常在一个节点完成消息传输后、下一个节点开始传输消息前发生。在此期间，由于安装了端接电阻，总线将具有 0V 差分信号。电子工业协会 (EIA)-485 标准规定，当差分电压 ≥+200mV 时，RS-485 接收器的输入阈值为逻辑高电平；当差分电压 ≤-200mV 时，RS-485 接收器的输入阈值为逻辑低电平。这意味着差分输入电压有一个 400mV 的不确定状态，如图 1 所示。

图 1：RS-485 接收器输入阈值

处理这种不确定状态的两种常见方法是：选择具有内置失效防护输入阈值的接收器，或者使用额外的外部电阻器在空闲总线上创建外部偏置。这两种方法都可确保总线上的逻辑高电平状态（对应于正差分电压）。

您不妨回头看看 RS-485 基础知识之接收器的博客文章，我在其中论述了如何实现内置失效防护输入偏置。简单来说，即衰减网络中产生的内部偏置电流在接收器比较器的输入端产生电压差。该解决方案的好处是，不会影响网络上所有收发器的负载。但需要注意的是，网络上的每个节点都需要内置此功能。对于现有装置或使用以前设计模块（可能不容易更新）的装置，内置此功能可能不切合实际。

处理空闲总线情况的第二种方法是使用两个外部电阻：一个从 A 端到 VCC，另一个从 B 端到地。请参阅图 2 中的两个红色电阻器。

图 2：失效防护电阻器的放置

如您所见，使用 R_FS1 时，两个并联端接电阻 (R_T) 和 (R_FS2) 构成了一个简单的分压器电路。在整个网络中，您只需在一个节点（通常是主节点）上安装这些电阻器。此外，R_FS1 和 R_FS2 设置为彼此相等，以便在 V_CC 和地之间实现共模平衡。

公式 1 是计算这些失效防护电阻值的简单方法。使用产生已知状态 (+200mV) 的最小输入电压、等效并联端接电阻 (60Ω) 以及将组装失效防护电阻的节点的最小 V_CC（我们使用 4.5V），求解简单的分压器方程：

代入 V_FS = 200mV、R_eq = 60Ω 并设置 R_FS1 + R_FS2 = 2*R_FS（因为我们将其设置为彼此相等），便得出：

如您所见，此解决方案的好处是只需要两个电阻器即可，并且适用于网络上的所有节点。但需要注意的是，两个 645Ω 电阻器会产生一个共模负载。如果您还记得本系列上一篇关于单位负载的文章，就会知道每个 RS-485 驱动器都需要处理 375Ω 共模负载（32 个并联单位负载），如图 3 所示。

图 3：32 个并联的单位负载产生一个共模负载

问题是，仅失效防护电阻器就会产生 645Ω 的共模负载。现在需要计算在出现 375Ω 共模负载之前可能存在的其他并联共模负载：

由于每个单位负载都可以近似为一个 12kΩ 的共模负载，因此在出现小于 896Ω 的共模负载之前，您只需计算并联的单位负载最大值：

这意味着，失效防护电阻器带来了相当于 18.6 (32-13.4) 个单位负载的共模负载，从而大大减少了网络上允许的总节点数。如您所见，两种处理空闲总线情况的方法各有利弊，因此您可以自行决定哪种方法更适合您的应用。

与往常一样，如果您想要详细了解任何 RS-485 主题，请登录并发表评论，或者访问 TI E2E 社区工业接口论坛。您可以在这里搜索我们完整的 RS-485 产品系列。

其他资源

如需关于失效防护电阻器的更详细计算，请阅读模拟应用期刊中的“RS-485：空闲总线的被动失效防护”一文。
阅读 Analog Wire 和 Industrial Strength 博客上的 RS-485 基础知识系列。

降低运动控制应用中可闻噪声的三种出色方式

Kevin Chen1 — Mon, 10 Apr 2023 10:24:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: MCF8315A, MCF8316A, MCT8316A

随着家庭和办公室开放式布局设计的出现以及日渐转向混合动力电动汽车和电动汽车，愈发需要更安静、高效的电机控制。即使是非常小的声学差异，也会对可闻噪声造成显著影响。

在图 1 中，您可以看到生活空间中的电器如何影响整体噪声水平。利用具有更高功率密度、更高集成度和更高效系统的电机控制电路等先进的实时控制技术，可帮助您实现更出色的系统声学性能。一些其他策略包括使用连续脉宽调制 (PWM) 的矢量磁场定向控制 (FOC) 算法，减少振动的特定控制算法，以及应用死区时间补偿和 PWM 生成来降低可闻噪声的集成控制。

图 1：开放式厨房和客厅的可闻噪声

由于这些不同的产品和策略都可以降低运动控制应用中的可闻噪声，因此可能很难确定哪种策略更适合您的应用。在本文中，我将以 BLDC 集成控制栅极驱动器为例，列出降低运动控制应用中可闻噪声的三种出色方式。想要了解更多关于运动控制的内容，可阅读我们运动控制系列技术文章第一篇“如何在工业驱动器中实现精密的运动控制”。

PWM

用于降低电机控制应用中可闻噪声的第一种策略是连续 PWM。PWM 是一种技术，通过导通和关断晶体管来产生输出波形，从而让电机电压在给定时间处于高电压或低电压状态。然后，电机中的电感对这些波形进行滤波，以便基本上平均输出波形。调整占空比（波形导通时间与关断时间之比）将改变平均电压。图 2 展示了使用 PWM 生成正弦波的一个示例。

图 2：使用 PWM 生成正弦波的示例

例如，德州仪器 (TI) MCF8315A BLDC 集成控制栅极驱动器是一款无传感器 FOC 电机驱动器，可实现连续和非连续空间矢量 PWM 方案。连续调制有助于减小低电感电机的电流纹波，但由于所有三个相位互相交错，因此会导致更高的开关损耗。非连续调制的开关损耗更低（因为一次只有两个相位互相交错），但电流波纹更高。在图 3 和图 4 中，您可以看到连续和非连续 PWM 的差异。

图 3：相电流波形与快速傅里叶变换 (FFT) 非连续 PWM 之间的关系

图 4：相电流波形与 FFT 连续 PWM 之间的关系

死区时间补偿

用于降低电机控制应用中可闻噪声的第二种策略是死区时间补偿。在电机控制应用中，在半桥中高侧和低侧金属氧化物半导体场效应晶体管的开关之间插入死区时间可避免发生击穿。插入死区时间后，相节点上的预期电压与施加的电压会有所不同，相节点电压会在相电流中引入不必要的失真，进而导致可闻噪声。

要管理这种额外的噪声，工程师可以利用谐振控制器集成死区时间补偿，以便控制相电流中的谐波分量，从而缓解因死区时间导致的电流失真，如图 5 所示。

图 5：无传感器 FOC 死区时间补偿分析

例如，TI 的 MCF8316A BLDC 集成控制栅极驱动器（一款无传感器 FOC 电机驱动器）采用此内置功能来优化多种电机频率下的声学性能，如图 6 所示。

图 6：实施 PWM 调制和死区时间补偿来优化 MCF8316A 声学性能

可变换向模式

用于降低电机控制应用中可闻噪声的最后一种策略是可变换向模式。在梯形换向中，有两种主要配置：120 度和 150 度。120 度梯形换向可能会导致更多的声学噪声，因为较长的高阻抗周期会导致扭矩波纹增大，如图 7 和 8 所示。150 度梯形换向只能在低速下运行，因为检测过零的窗口期很短。

为了应对这些挑战并提高声学性能，工程师可以构建能够在 120 度梯形换向和 150 度梯形换向之间动态切换的电机驱动器系统。这种动态调制可以改善 BLDC 电机控制期间的整体声学性能。

图 7：相电流和 FFT - 120 度换向

图 8：相电流和 FFT - 150 度换向

例如，TI 无传感器 BLDC 集成梯形控制栅极驱动器（如 MCT8329 和 MCT8316）采用此内置功能来优化多种电机频率下的声学性能，如图 9 所示。

图 9：实施具有动态调制的可变换向模式来优化 MCT8316A 声学性能

结语

TI 在加大运动控制技术的投资，助力构建更高效的声学敏感型系统，其构建块旨在满足声学要求。当您设计系统时，请记得采用这三种出色方式来降低电机控制应用中的可闻噪声。

其他资源

查看应用报告“如何使用无代码无传感器 BLDC 电机驱动器降低电机噪声”
详细了解 TI 的集成控制 BLDC 驱动器、BLDC 电机驱动器、基于 Arm^® 的处理器、C2000 实时微控制器和 MSP430 微控制器

如何在工业驱动器中实现精密的运动控制

Kevin Chen1 — Fri, 17 Mar 2023 06:00:00 GMT

乘坐电梯时，您肯定希望平稳安全地从一层到达另一层。在电梯驱动中，精密的运动控制使电梯能够停在指定位置，并平稳地减速直到完全停止。缺乏精密的运动控制可能会导致电梯误停在两层之间，这会让乘坐电梯的人感到头晕不适或不安全。

机器人、计算机数控机器和工厂自动化设备都需要通过伺服驱动器进行精密的位置控制，此外在许多情况下还需要进行精密的速度控制，以便正确地制造产品并维护工作流程。

工业驱动器的诸多方面都对实现精密的运动控制很重要，精密运动控制涉及实时控制设计中的三个基础子系统，即感应、处理和驱动。本文将论述各个子系统的支持技术示例。

感应

缺乏精密的位置和速度感应，就无法实现精密的运动控制。感应可以包括电机轴角位置和速度感应或传送带线性位置和速度感应。设计人员经常使用增量式光学编码器，每转有几百到一千个槽，以感应位置和速度。这些编码器通常通过正交编码脉冲 (QEP) 连接到微控制器 (MCU)，因此需要 QEP 接口功能。

相比之下，绝对编码器的精度明显更高，其通常每转具有更多的槽数，并且经过精密安装以提供绝对角位置。感应到的位置被转换为数字表示形式，并根据标准协议进行编码。此类协议的示例有 Tamagawa 的 T-Format 和 iC-Haus GmbH 的双向串行同步 (BiSS) C。此前，您还需要现场可编程门阵列 (FPGA) 来连接此类编码器，但现在越来越多的 MCU 也具有此功能（如下图 1 所示）。由于 T-Format 和 BiSS C 协议通常与大多数 MCU 上常见的串行外设接口 (SPI)、通用异步接收器发送器 (UART) 或控制器局域网 (CAN) 等流行通信端口或接口所支持的协议不同，因此它们通常需要可定制逻辑块或专有处理单元。

图 1：连接到德州仪器控制 MCU 的绝对编码器

绝对编码器也可以基于电磁或类旋转变压器电路，这需要精确测量正弦电信号。因此，精密运算放大器和电压基准也很重要。电机和运动控制始终需要精确的电机电流和电压检测，尤其是在采用无传感器控制时。常见的解决方案是使用隔离/非隔离式放大器和集成低侧电流检测的驱动器的内联和逆变器桥臂低侧检测。

处理

在精密运动控制系统中执行运动控制配置文件和算法需要具有高计算能力的 MCU。为了提供必要的精度和准确度，此类 MCU 的字长通常为 32 位，并具有原生 64 位浮点支持。由于算法严重依赖三角函数、对数和指数数学，因此许多 MCU 都具有硬件加速器。

考虑到受控运动轴的数量或控制环路的数量，设计人员经常采用多中央处理器 (CPU) 架构或类 CPU 的并行加速器。如有额外的监督和通信任务，也可以考虑采用多个 CPU。

作为实时控制应用，整个信号链的总延迟（即从收集到电流、电压、位置和速度测量结果到更新控制输出的时间）会直接影响控制性能，进而影响精度。一些 MCU 具有片上模拟比较器，可以直接生成控制动作，显著减少延迟和 CPU 负荷。快速中断响应以及现场保存和恢复也很重要。

仅仅拥有高处理能力是不够的。运动控制 MCU 还必须具有通用控制外设，例如 12 位和 16 位模数转换器、QEP 接口、高分辨率边沿和脉冲捕获以及脉宽调制 (PWM) 输出。另外，还要求具备实现自定义逻辑和时序的能力。

为了帮助设计人员更快上手和调整他们的设计，MCU 和电机驱动器供应商提供了电机和运动控制算法，包括无传感器观测器和软件库等核心算法以及具有 GUI 可配置性的完整控制代码。

图 2 是工业驱动器控制 MCU 的概念图。

图 2：工业驱动器的 MCU

驱动

提供预期的控制动作需要功率器件和驱动器，通常采用 PWM 形式，占空比代表动作。精确控制 PWM 脉冲非常重要，这意味着驱动器必须以尽可能小的时序偏差提供必要的驱动强度；功率器件必须在确切的预定时间打开和关闭。如今，此类驱动器随处可见，并具有过流和过热保护等附加功能。新型宽带隙功率器件可以确保快速和精确地进行开启和关闭定时。宽带隙器件的快速开关速度和低开关损耗还可实现快速控制环路，以提高稳定性和性能。

除了精度之外，许多应用还要求电机控制设计足够紧凑，因此需要用到具有集成电流检测和电源模块的驱动器。

结语

精密运动控制对于工业驱动器至关重要。技术解决方案涉及实时控制设计的所有三个基础子系统，即感应、处理和驱动，旨在实现精密的运动控制。

其他资源

如需了解更多信息，请阅读电子书“适用于工业电机驱动器的 C2000™ MCU DesignDRIVE 解决方案”。
下载优于快速串行接口 (FSI) 参考设计的分布式多轴伺服驱动器。
阅读应用手册“适用于多轴伺服控制的 FSI 带宽优化”。
阅读应用手册“TI Arm 内核上经过优化的三角函数”。
查看技术文章“使用多协议工业以太网系统简化工厂自动化设计”。
阅读应用手册“Sitara™ 处理器和 MCU 支持的工业通信协议”。

超声波镜头清洗：您不了解却需要的固态技术

Kevin Chen1 — Fri, 03 Feb 2023 07:58:00 GMT

Other Parts Discussed in Post: ULC1001

如果您曾用过便携式 CD 播放器，大概率懂得CD 被划伤或弄脏后听到跳音的感受。或许，您也还记得 VHS 磁带的缠绕问题、磁带老化和图像质量差的体验。闪存作为一种经济实用的固态解决方案，淘汰了这些复杂的机械存储方式。

在如今的汽车行业，制造商可以通过使用微型雨刮器、喷水器、压缩空气和其他系统来解决摄像头和传感器的清洗问题。然而，由于这些解决方案价格昂贵且机械复杂度高，因此普及使用的可能性不大。

本文介绍的超声波镜头清洗 (ULC) 固态解决方案可实现摄像头和传感器的自清洗，并且具有成本效益。

鉴于镜头尺寸和材料繁多，实现 ULC 的结构方法也多种多样。那么，半导体如何发挥作用？尽管 ULC 可实现的功能不限于本文所述，为方便起见，本文将典型圆形摄像头上的水滴作为污染物进行演示。

要清洗镜头，可以施加一个力将水滴从镜头上排到视场 (FoV) 外，或者也可以通过施加大于表面张力的力将水滴雾化。正如我之前发表的技术文章“什么是超声波镜头清洗技术？”中讲到的，ULC 通过共振并利用相长干涉的概念，将从微小振动产生的能量放大为可以移动水滴或将其雾化的较强能量。具有疏水性和疏油性的外壳可有效降低镜头极性，优化 ULC 系统的性能。

驱动

要产生所需的振动，执行器必须产生必要的力、具有宽带宽和小外形尺寸，并且具有成本效益。压电执行器通常称为压电换能器，不仅可以满足这些要求，而且其可靠性可满足军事和汽车应用的要求。当对极化压电材料的电镀表面施加一个电压电势，其形状会发生变化。如果电压电势本质上是交流的，则压电材料会以交流信号的频率产生共振。因此，压电换能器是 ULC 中产生振动的有效执行器。图 1 展示了两个不同形状的压电材料被驱动产生振动而慢速运动。

图 1：压电换能器被驱动产生慢速运动的动画

清洗

使镜头以其固有频率之一产生共振的一种简单方法是产生驻波（称为“单模”）。表面的高加速度可以排除水滴。在直径为 10mm 至 40mm、厚度为 0.5mm 至 2mm 的圆形玻璃镜头上驱动单模的典型频率通常介于 20kHz 和 100kHz 之间。由于共振频率会因污染物稍有变化，清洗周期范围可能为镜头的固有频率上下几千赫兹。例如，如果固有频率为 30kHz，ULC 系统的频率范围可为 28kHz 至 32kHz，以便确保进行合适的清洗。单模清洗的缺点是加速度梯度，加速度较小的点上可能清洗效果较差并且会留下肉眼可见的残留物。图 2 展示了单模清洗系统的仿真及其加速度梯度，突出显示了此缺点。

图 2：单模清洗系统的仿真及其加速度梯度

双模清洗是在连续清洗周期内采用两个不同驻波的高级 ULC 方法，如图 3 所示。该方法有助于消除盲点或没有（以及几乎没有）清洗到的点，从而确保实现全面覆盖。

图 3：双模清洗系统的仿真及其加速度梯度

另一种 ULC 方法是使用表面声波 (SAW)，SAW 不会直接让玻璃板产生振动。与用于排走污染物的驻波不同，SAW 沿表面传播，并通过对污染物直接施加能量将其弹掉。相比直接使镜头产生振动，SAW 方法需要的频率高得多且每个玻璃板需要多个执行器，因此更加复杂，成本也更高。但是，这种方法在较大的平面和矩形面板（如激光雷达窗口片）上要比直接振动效果更好。由于 SAW 在表面传播，该方法比使大且厚的镜头振动更节省能量。

镜头盖系统

TI 发明的 ULC 方法使用一个支架来连接具有统一厚度的镜头和环形压电换能器。环形换能器需要占据一点额外的空间，支架可避免玻璃镜头与压电换能器的任何直接接触（连接非常具有挑战性），这样可以实现可扩展的制造过程并获得可靠的产品。紧凑地罩在摄像头镜头上的组件称为镜头盖系统 (LCS)，与您看到的智能手机摄像头上的平面盖板玻璃类似。曲面 LCS 可提供较大的 FoV 且光学失真非常小，如图 4 所示。

图 4：具有大于 190 FoV 的曲面 LCS

完全集成式 ULC

在不使用镜头盖的情况下，通过驱动末级摄像头镜头产生振动，可在摄像头模块中直接实现 ULC。末级摄像头镜头称为前端元件，如图 5 所示。与添加镜头盖相比，通过集成可以减小整体系统尺寸，但也会增加超声波清洗和制造过程的复杂性，部分原因在于前端元件的厚度并不统一，无论是单模清洗还是双模清洗，均会抑制产生足够的驻波。前端元件可能需要具有不同厚度，以便使光发生折射进入光学传感器，但镜头盖的作用仅是保护摄像头，所以可以使用统一厚度。此外，由于前端元件是摄像头镜头堆叠的一部分，需要在制造过程中与光学传感器精密对齐，因此增加了完全集成式 ULC 系统设计流程和工艺的复杂度。

图 5：摄像头镜筒中的镜头堆叠示例

半导体的作用

TI 的 ULC1001 等专用标准产品 (ASSP) 可通过在单个器件中组合多种功能来降低成本和减小尺寸。鉴于制造多样性、外壳组装和安装的差异，每个镜头的固有频率均不同，并且会在各自生命周期内略有变化。ULC1001 可以在任何点来表征镜头系统，提升效果。另一个集成功能是温度检测，该功能可方便检测和除冰，更重要是可以用于保持压电功能。如果超出了居里温度阈值，压电换能器会去极化并丢失其共振属性。ULC1001 可监测压电换能器的温度，确保换能器不会在超过居里温度点后被驱动，并且还能检查所有镜头故障，如碎裂。ULC1001 具有集成式数字信号处理器和反馈闭环，无需图像处理即可实现自动污染物检测和清洗。全新的镜头清洗 IC 实现了上述功能，其状态机示例如图 6 所示，可针对给定应用进行定制。

图 6：ULC 状态机简化示例

让我们一起突破现状

尽管 ULC 比较复杂并且涉及方方面面，TI 提供了开源的机械设计和应用特定的半导体等，为该技术打下了基础。在此，诚邀您一起探索 ULC 设计资源并突破汽车和工业市场的现状，打造具有自清洗功能的更优质、更智能、更经济实惠的摄像头。

其他资源

观看视频“自清洗摄像头的超声波镜头清洗”，了解 ULC 的实际应用

什么是超声波镜头清洗技术？

Kevin Chen1 — Fri, 03 Feb 2023 07:48:00 GMT

您可能听说过高音尖叫可以震碎玻璃，那么是否听说过尖叫可以清洗玻璃？借助精确受控的高频振动，超声波清洗技术便可以用于清洗玻璃表面。在雨天情况下，这项技术可以结合汽车的后置摄像头镜头自动检测并清除车窗雨滴，无需驾驶员操作。

在本文中，我将介绍超声波镜头清洗 (ULC) 技术以及该项技术如何帮助实现自清洗摄像头应用。

超声波镜头清洗技术如何工作？

我们先了解下相关的物理知识。所有物体都有一个固有频率，该频率大小取决于物体的分子结构和几何形状。如果以这个特有频率对物体施加能量，物体会产生振动或振荡。例如，以吉他弦的固有频率拨动吉他弦时，吉他弦会发生振动。同样，以酒杯的固有频率敲击酒杯时，酒杯也会发生振动。如果在某个材料上以其固有频率重复施加能量，输入波形会对其本身波形产生显著干扰，使其振幅增大，但仍保持在同一相位内。这一现象称为共振。

为了更好地理解共振，试想一下您正在推着某人荡秋千。在秋千恰好向后摆到最高点时向前推，可以让荡秋千的人荡得更高。相反，如果推的时间点不对（例如，您跟荡秋千的人不同步），您的手臂会吸收一部分机械能，秋千能荡到的高度会降低。

玻璃、硅和聚碳酸酯镜头都有各自的固有频率，而其固有频率的大小因各自的形状和厚度而异。对这些材料以其各自的固有频率施加超声波振动（或是超出人类听力范围的振动），会使其产生共振。以玻璃物体的固有频率发声会使玻璃产生共振而破碎，与之类似，使用压电换能器和先进的半导体以特殊模式精确地施加超声波振动，可以有效地使物体表面的水、污垢和其他污染物脱落。下面图 1 展示了超声波镜头清洗系统的横切面。图 2 接着展示了超声波镜头清洗系统排水的动画。正常情况下，超声波镜头盖振动会产生约 10 微米位移，这是人眼无法感知到的。此动画中为方便演示，呈现了放大后的效果。

图1：超声波镜头清洗系统

图2：超声波镜头清洗系统排水动画

这项技术为何重要？

2014 年，美国运输部要求 2018 年 5 月 1 日之后生产的汽车必须使用后置倒车摄像头。如今，有些汽车具有多达八个摄像头和其他使用激光雷达等技术的外部传感器。

这些摄像头和传感器只有在镜头清晰且无障碍的情况下能够正常使用；溅上泥点或雨点容易使自主功能不可用。因此，随着汽车智能性、安全性和复杂性的提升，这些传感器可能需要满足新的要求，以便能在所有天气条件下正常运行，从而实现自主紧急制动等应用。

尽管使用水管的超声波清洗技术已经用于医疗领域，但通过机械设计创新、软件算法和半导体集成，超声波表面清洗现在也已经实现户外应用。摄像头镜头自清洗技术也不限于汽车行业，实际上，任何使用摄像头的应用都可以采用这项技术，包括交通监控摄像头、内窥镜和机器视觉摄像机。

其他清洗方法如何？

汽车原始设备制造商已经实验过小型挡风玻璃雨刮器、压缩空气和旋转镜头等摄像头清洗方法。遗憾的是，这些方法太过复杂、价格昂贵且并不适用于所有场景。一些高端车辆具有隐藏的喷水器，用于清洗摄像头镜头，这种方法需要额外的水管装置和额外的水箱容量。但是喷水器无法除冰，并且也无法清除雨水。

超声波镜头清洗系统可以使用机械振动来快速产热、将冰融化，然后将水清除。这类系统可以通过自动感应水滴并通过振动将其雾化，从而持续清除镜头上的雨水。借助合适的算法和机械设计，这些系统可以清除灰尘、泥浆、甚至是附着的昆虫。这可能听起来复杂，但应用特定的半导体能在很小的空间内完成这项任务。使用特定的半导体，自动超声波镜头清洗系统可以是集成的形式，除了电源和可选的数据线外，不依靠任何其他东西。

结语

鉴于人们对汽车安全和可靠性的需求，我希望汽车行业采取超声波镜头清洗技术；由于这项技术的性能优势、运行效率和简化的维护，面向农业、交通摄像头和运动拍摄的自动化系统等其他类型的终端设备也可以采用该项技术。尽管超声波镜头清洗跟尖叫并不相同，但这项技术绝对值得让您为之兴奋。