Автомобили, которыми пользуются несколько водителей, часто вызывают разочарование, потому что сиденье, кажется, всегда настроено под другого водителя. В этом случае часто используются несколько моторов с функцией памяти, позволяющих каждому водителю одним движением настроить удобное для себя положение за рулем. А в семейных минивэнах даже самые маленькие пассажиры могут легко открывать и закрывать сдвижную дверь благодаря мотору.
Хотя преимущества бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC) распространились на все области применения моторизованной техники, многие из упомянутых по-прежнему используют коллекторные двигатели постоянного тока. Это связано с тем, что повышение эффективности не оправдывает более сложную конструкцию и более высокую стоимость решений на основе BLDC-двигателей. Для топливного насоса, работающего на маршруте, более длительный срок службы и экономия энергии, обеспечиваемые BLDC-двигателем, очевидны, но в приложениях, работающих от двигателя, используемого всего несколько секунд, возможно, один или два раза на всем маршруте, коллекторные двигатели постоянного тока более выгодны.
Разделение управления двигателем постоянного тока на компоненты.
При проектировании электроники для управления двигателем постоянного тока у системных инженеров есть множество вариантов. Микроконтроллер занимает ядро электронного блока управления (ЭБУ), принимая управляющие входные сигналы через CAN или LIN и преобразуя их в сигналы, управляющие двигателем. Эти выходы должны управлять силовыми ключами (обычно MOSFET-транзисторами), к которым подключен двигатель. MOSFET-транзисторы сконфигурированы в полумостовой структуре, которая позволяет двигателю вращаться в обоих направлениях и, используя сигналы ШИМ (широтно-импульсной модуляции), управляет скоростью вращения ротора. Однако эти логические выходы не обеспечивают достаточной мощности для управления затворами этих устройств. Поэтому необходим драйвер затвора (схема возбуждения), функция которого, по сути, заключается в повышении уровней логических выходов микроконтроллера до уровней, необходимых для управления MOSFET-транзисторами.
Простейший способ разделить эти системы на компоненты — по их функциям: микроконтроллер, предварительный драйвер и полумостовая схема (рис. 2). Инженеры находятся под давлением необходимости создания более компактных и надежных конструкций, что требует альтернативных и более интегрированных подходов. Интеграция микроконтроллера и предварительного драйвера — один из вариантов. Сложность в этом случае заключается в том, что программное обеспечение микроконтроллера часто уже доступно, протестировано и имеет сертификат безопасности. Следовательно, необходимость передачи и повторной сертификации программного обеспечения уже существует.
Если необходимо сохранить микроконтроллер, альтернативным вариантом является использование драйвера управления двигателем (MCD), который объединяет предварительный драйвер и полумостовую схему. Такая архитектура не требует особой фантазии для расширения платформы и позволяет гибко использовать несколько двигателей с помощью специализированного MCD, доступного в ассортименте продукции.
Высокоинтегрированный полумостовой преобразователь с предварительным драйвером:
Недавно представленные устройства TB9053FTG и TB9054FTG от Toshiba используют богатый опыт компании в автомобильной электронике, накопленный еще в 1970-х годах. Эти двухканальные драйверы двигателей постоянного тока используют надежную технологию BiCD, которая сочетает в себе лучшие качества биполярных, CMOS и DMOS технологий. Каждое устройство содержит два полумоста, образованных N-канальными DMOS-переключателями, соответствующие предварительные драйверы и ряд диагностических и управляющих опций. Это соответствует растущему спросу на драйверы, которые могут помочь выявить первопричину проблем в автомобиле и позволить производителям оригинального оборудования (OEM) быстро определить источник неисправностей.
Устройства могут работать в режиме SMALL с двумя двигателями по 5 А или в режиме LARGE с обоими каналами параллельно для управления двигателем мощностью до 10 А (рис. 3). Технология BiCD обеспечивает низкое сопротивление силовых устройств
(290 мОм сопротивления цепи при Tj=150°C для одного выходного канала) для минимизации тепловыделения и рассеивания тепла. Количество внешних компонентов уменьшается благодаря интеграции конденсаторов, необходимых для предварительных зарядных насосов. Такая конструкция позволяет достигать коэффициента заполнения до 100%.
Управление может осуществляться с помощью ШИМ-выходов микроконтроллера. Четыре интегрированных полумоста имеют отдельные ШИМ-входы, которые могут работать на частотах от 1 кГц до 20 кГц. Тайм-ауты автоматически устанавливаются в устройстве, а остальные выводы отвечают за конфигурацию устройства и включение/выключение. Однако этот простой интерфейс управления не в полной мере использует возможности TB905xFTG.
Последовательный интерфейс SPI обеспечивает доступ к многочисленным параметрам конфигурации и диагностическим данным, а также возможность соединения нескольких устройств для управления группами двигателей. Пороговое значение перегрузки по току реализовано в виде управления ограничением тока типа прерывателя, которое может быть установлено в диапазоне от 4,6 А до 6,5 А в режиме SMALL или от 9,2 А до 13,0 А в режиме LARGE.
Управление драйвером двигателя также может осуществляться полностью через SPI (рис. 4). Интеграция генератора на 16 МГц и ШИМ-контроллера уменьшает количество сигналов, которые должен подавать микроконтроллер. В качестве временной базы можно использовать выходной сигнал тактовой частоты микроконтроллера, и если этот внешний сигнал по какой-либо причине выйдет из строя, внутренний генератор можно использовать в качестве резервного для реализации аварийного режима управления.
Из-за высоких токов, характерных для этих приложений, соблюдение требований электромагнитной совместимости (ЭМС) может быть довольно сложной задачей. Для упрощения процесса разработки TB905xFTG предлагает на выбор семь уровней управления скоростью нарастания выходного сигнала, от 1,09 до 26,25 В/мкс (рисунок 5).
Низкое сопротивление теплопроводности помогает минимизировать выделение тепла. Все выделяемое тепло легко рассеивается благодаря усовершенствованному теплоотводящему корпусу, используемому в TB9053FTG. Встроенный радиатор снижает тепловое сопротивление до всего 0,67 °C/Вт. В результате, в некоторых конструкциях печатная плата также может обеспечивать все необходимое рассеивание тепла. Корпус TB9054FTG представляет собой VQFN размером 6 × 6 мм с боковыми контактами, контактирующими с водой, и шагом 0,5 мм, что делает это устройство класса AEC-Q100 подходящим для автоматизированного оптического контроля (АОИ).
Скоро в продаже:
Хотя во многих областях применения используются бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC), многие автомобильные системы по-прежнему будут использовать традиционные 12-вольтовые двигатели постоянного тока из-за сложности конструкции и стоимости. Такие устройства, как TB905xFTG, используют передовые технологические процессы, такие как BiCD, для обеспечения высококонфигурируемого и эффективного управления двигателем. Они также соответствуют строгим требованиям качества и контроля в автомобильной промышленности и позволяют разрабатывать новые платформы, использующие существующие решения на базе микроконтроллеров и сертифицированное программное обеспечение, на которых они работают. Их мощные диагностические возможности также обеспечивают бесшовную интеграцию с существующими интеллектуальными автомобильными платформами.
Клаус Нойенхюскес, главный инженер по маркетингу решений, Toshiba Electronics Europe GmbH
