车载电机驱动的技术趋势

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。
耐压为最适合车载领域的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， 保持产生最大转矩的位置来创建 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， 在最佳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 器是最佳选择，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。
希望进一步了解这些新产品详情的， 请浏览ROHM的 官网： http://www.rohm.com.cn/web/china/，或咨询ROHM 半导体（ 深圳） 有限公司设计中心。

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。