【導讀】作(zuo)為(wei)人(ren)與(yu)車(che)輛(liang)重(zhong)要(yao)的(de)溝(gou)通(tong)及(ji)交(jiao)互(hu)的(de)橋(qiao)梁(liang)，中(zhong)控(kong)屏(ping)的(de)尺(chi)寸(cun)不(bu)僅(jin)越(yue)做(zuo)越(yue)大(da)

，而(er)且(qie)不(bu)少(shao)廠(chang)商(shang)選(xuan)擇(ze)旋(xuan)轉(zhuan)大(da)屏(ping)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)多(duo)場(chang)景(jing)便(bian)捷(jie)交(jiao)互(hu)
，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)使(shi)車(che)載(zai)娛(yu)樂(le)係(xi)統(tong)更(geng)加(jia)智(zhi)能(neng)。其(qi)中(zhong)的(de)典(dian)型(xing)代(dai)表(biao)有(you)比(bi)亞(ya)迪(di)，全(quan)新(xin)一(yi)代(dai)唐(tang)&秦Pro中控屏會根據場景自動旋轉到橫/豎屏模式。而實現車載觸摸屏可旋轉，電機的作用不可或缺。要想實現電機的精準運動
，電機驅動芯片的選擇至關重要。

1. 前言

當車輛與智能相融合，不僅是自動駕駛，智能座艙也成為了當下的焦點。在目前的智能座艙中，屏幕毫無疑問地充當著主角
，其大小不一
，種類繁多的屏幕出現在了車內的各個角落之中。作(zuo)為(wei)人(ren)與(yu)車(che)輛(liang)重(zhong)要(yao)的(de)溝(gou)通(tong)及(ji)交(jiao)互(hu)的(de)橋(qiao)梁(liang)，中(zhong)控(kong)屏(ping)的(de)尺(chi)寸(cun)不(bu)僅(jin)越(yue)做(zuo)越(yue)大(da)，而(er)且(qie)不(bu)少(shao)廠(chang)商(shang)選(xuan)擇(ze)旋(xuan)轉(zhuan)大(da)屏(ping)
，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)多(duo)場(chang)景(jing)便(bian)捷(jie)交(jiao)互(hu)，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)使(shi)車(che)載(zai)娛(yu)樂(le)係(xi)統(tong)更(geng)加(jia)智(zhi)能(neng)。其(qi)中(zhong)的(de)典(dian)型(xing)代(dai)表(biao)有(you)比(bi)亞(ya)迪(di)，全(quan)新(xin)一(yi)代(dai)唐(tang)&秦Pro中控屏會根據場景自動旋轉到橫/豎屏模式。而實現車載觸摸屏可旋轉，電機的作用不可或缺。要想實現電機的精準運動，電機驅動芯片的選擇至關重要。

圖1. 旋轉中控屏   

圖2. 可翻轉吸頂屏

旋轉屏大多都采用直流電機。因為與交流電機相比
，直流電機的控製係統更容易實現。因此，在需要控製速度、轉矩或位置時，通常都采用直流電機。常用的直流電機有兩種：有刷電機和無刷電機。顧名思義，有刷直流電機帶有電刷，電刷可以使電機換向並旋轉
；而(er)無(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)則(ze)用(yong)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)取(qu)代(dai)了(le)機(ji)械(xie)換(huan)向(xiang)功(gong)能(neng)。旋(xuan)轉(zhuan)中(zhong)控(kong)屏(ping)是(shi)既(ji)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)有(you)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)
，也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)。兩(liang)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)電(dian)機(ji)基(ji)於(yu)相(xiang)同(tong)的(de)線(xian)圈(quan)和(he)永(yong)磁(ci)體(ti)吸(xi)引(yin)與(yu)排(pai)斥(chi)原(yuan)理(li)，二(er)者(zhe)都(dou)具(ju)有(you)各(ge)自(zi)的(de)優(you)缺(que)點(dian)
，可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)進(jin)行(xing)具(ju)體(ti)選(xuan)擇(ze)。表(biao)1總結了兩種電機類型的主要優缺點。

表1. 兩種電機類型的主要優缺點

無刷電機現在越來越普及，特別是在汽車電機等大批量應用中。隨著無刷電機及其相關電子設備（如微控製器）的de成cheng本ben不bu斷duan降jiang低di，無wu刷shua電dian機ji逐zhu漸jian滲shen透tou傳chuan統tong有you刷shua電dian機ji占zhan據ju主zhu導dao的de應ying用yong。在zai高gao端duan車che型xing中zhong絕jue大da多duo數shu電dian機ji已yi經jing換huan成cheng了le無wu刷shua電dian機ji，因yin為wei它ta們men產chan生sheng的de噪zao音yin更geng小xiao。

2. 無刷直流電機

選擇 BLDC 驅動器時，第一步是確定電機的功率等級
，中低功率應用適合用集成FET驅(qu)動(dong)器(qi)，大(da)功(gong)率(lv)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)適(shi)合(he)用(yong)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)。功(gong)率(lv)一(yi)般(ban)可(ke)以(yi)由(you)電(dian)壓(ya)與(yu)電(dian)流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)決(jue)定(ding)。在(zai)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)和(he)線(xian)路(lu)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)，電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)都(dou)可(ke)能(neng)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，因(yin)此(ci)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)應(ying)至(zhi)少(shao)支(zhi)持(chi)電(dian)池(chi)的(de)最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)
，並(bing)提(ti)供(gong)額(e)外(wai)的(de)裕(yu)量(liang)，防(fang)止(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)出(chu)現(xian)電(dian)壓(ya)反(fan)饋(kui)或(huo)瞬(shun)態(tai)。對(dui)於(yu)穩(wen)壓(ya)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)源(yuan)和(he)低(di)功(gong)耗(hao)電(dian)機(ji)，TI建議使用額定電壓高達最大電壓1.2倍的電機驅動器
，而對於大功率電機和電池係統
，則建議使用1.5倍到2倍的電機驅動器。集成式FET架構的電機功率可通過方程式1計算得出，其中V_M是電機電壓，I_RMS是電機的標稱電流。

經常有客戶問到電機支持的峰值電流是多少
，需要說明的是
，峰值電流是電機中可能由開關
、langyonghuojishengxiaoyingyinqidezuidaduanshidianliu。rujin，xuduodianjiqudongqidoujuyouguoliubaohudengneizhibaohugongneng。fengzhidianliushizaiguoliubaohugongnengqidongzhiqiankeyiqudongdezuidadianliu。TI的集成式FET驅動器可以驅動高達數十安培的峰值電流。對於電機驅動功率的選擇

，表 2 比較了柵極驅動器和集成式 FET 驅動器架構的規格。

表 2. 電機驅動器架構

由you於yu旋xuan轉zhuan屏ping或huo者zhe可ke翻fan轉zhuan吸xi頂ding屏ping應ying用yong在zai車che內nei

，對dui於yu噪zao聲sheng有you一yi定ding要yao求qiu
，否fou則ze可ke能neng會hui影ying響xiang乘cheng客ke的de乘cheng車che體ti驗yan。電dian機ji噪zao聲sheng的de主zhu要yao影ying響xiang因yin素su是shi電dian機ji的de控kong製zhi方fang式shi。無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji通tong常chang有you三san種zhong控kong製zhi方fang式shi：梯形波控製、正弦波控製和磁場定向控製（FOC）。

1. 梯形波

梯形換向是旋轉三相無刷直流電機的最基本方法。這是通過每 60 度電角以 6 步模式為繞組通電來實現的
，這樣一來，一個相位為電機提供拉電流
，另一個相位為電機提供灌電流，最後一個相位保持未連接（高阻態）。這會為每個相位產生 120° 梯形電流波形（圖3）。梯形波可以通過有傳感器或無傳感器的方式來確定電機的位置並有效地對電機進行換向。它是一種低成本、易於實施的解決方案，可產生高轉矩和速度，並將 MOSFET 開關損耗降至最低。然而，由於電流驅動不理想
，它的分辨率很低
，並且會導致轉矩紋波和可聽噪聲。

圖3. 梯形控製 (120°)

2. 正弦波

正弦換向是另一種換向方法
，三相同時通電
，並且三相電流在 180 度電角內呈平滑的正弦波變化（圖4）。定子的正弦磁通會吸引轉子，從而使轉子平穩旋轉。由於無刷直流電機的反電動勢 (BEMF)呈正弦變化
，若電機電流也呈正選波變化則產生的轉矩是恒定的。這意味著電機噪音小
，功效高。

圖4. 正弦控製 (180°)

3. 磁場定向控製

FOC 是 Field-Oriented Control 的縮寫
，即磁場定向控製，它是一種高效換向技術，用於精確高效地控製電機的速度和轉矩。顧名思義，FOC技術會使定子磁場與轉子磁通垂直
，以便實現最大轉矩。FOC 的實現可能非常複雜，因為它需要複雜計算處理能力來處理數學變換和計算
，例如 Clarke Park 變換、反Clarke 變換和反Park變(bian)換(huan)。如(ru)果(guo)通(tong)過(guo)相(xiang)位(wei)定(ding)子(zi)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)以(yi)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)方(fang)式(shi)估(gu)算(suan)位(wei)置(zhi)和(he)速(su)度(du)
，則(ze)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)必(bi)須(xu)足(zu)夠(gou)快(kuai)

，以(yi)便(bian)在(zai)電(dian)機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)時(shi)估(gu)算(suan)角(jiao)度(du)和(he)速(su)度(du)。這(zhe)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)實(shi)時(shi)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)器(qi) (DSP) 來對這些數學計算進行流水線處理或實施大型查找表並同時計算其餘變換。對於需要高精度的FOC的應用需要高精度編碼器。根據編碼器的分辨率
，在實現轉矩脈動最小化的同時實現精確的位置控製。

圖5. 磁場定向控製狀態矢量圖

表 3. 不同控製方法的比較

由旋轉屏和可翻轉吸頂屏的市場要求：電機應移動到特定位置、能夠保持該位置並來回移動，噪音盡可能的小（可能會有客戶要求在距離電機50cm處的噪音不超過30dB），電機功率一般不大於70W。並根據上述分析可得出，選擇集成FET驅動器（有利於減少體積並減少外圍電路設計），並支持磁場定向控製以最大限度的降低噪音，無位置傳感器方案和帶傳感器方案都可行（如今的無位置傳感器方案已經應用廣泛並較為成熟）。TI提供多種電機控製方案供客戶選擇，以下重點介紹兩種方案。

方案一：MCU+Motor Driver-- MSPM0G3507+DRV8316-Q1（具有旋轉屏和吸頂屏的成功案例）

圖6. 方案一MSPM0G3507+DRV8316-Q1

現代電機驅動係統的性能不斷提高、因此對實時控製的要求也相應提高。對於旋轉屏應用，要求電機實現高精度的位置控製，對精度有一定要求。TI 的MOG3507微控製器或C2000 MCU可提高模擬集成度、從而在不到1 μ s 的時間內執行電流環路

、即快速電流環路。通過在現代控製拓撲中利用快速電流環路
、設計人員能夠以更低的成本開發尺寸更小、性能更高的係統。

DRV8316-Q1可驅動12V 且功率高達40W無刷直流電機的客戶提供了一種單芯片功率級解決方案 。DRV8316-Q1 集成了三個1/2-H 電橋，具有40V的絕對最大電壓和 95mΩ（高側加低側）的超低RDS(ON)，可提供大功率驅動能力。通過集成電流檢測功能完成檢測，無需外部電流檢測電阻器。可調降壓穩壓器和 LDO 的電源管理性能為芯片生成3.3V/5V電壓軌，可用於為外部電路供電。DRV8316-Q1 實現了 6x 或 3x PWM 控製方案
，可用於使用外部微控製器實施有傳感器或無傳感器磁場定向控製 (FOC)、正弦控製或梯形控製。DRV8316-Q1 能夠驅動高達 200kHz 的 PWM 頻率。該控製方案可通過硬件引腳或寄存器設置進行高度配置，可實現電機電流限製和故障響應。

MSPM0G3507 是具有 CAN-FD 接口的混合信號微控製器
，具有較好的價格優勢。具有糾錯碼 (ECC) 且高達 128KB 的閃存，可用於故障診斷的大容量閃存。具有硬件奇偶校驗且高達 32KB 的 SRAM。低功耗：整個係統的電流消耗應小於100μA。具有17 個外部通道的 12 位 4Msps 同步采樣模數轉換器 (ADC)，一個12 位數模轉換器 (DAC)
，3個高速比較器 (COMP)，2個零漂移、零交叉斬波運算放大器 (OPA) ，1個通用放大器 (GPAMP)，一個控製器局域網 (CAN) 接口支持 CAN 2.0 A 或 B 以及 CAN-FD, 四個 UART 接口，兩個 SPI
，一個 SPI 支持高達 32Mbit/s
，兩個 I2C 接口，60個GPIO，精度高達 ±1.2% 的內部 4MHz 至 32MHz 振蕩器 (SYSOSC)，一個高達 80MHz 的鎖相環 (PLL)。

DRV8316-Q1的特點及優勢：

1. 電流檢測放大器

電流檢測反饋在電機係統中非常重要，用於實現閉環轉矩控製或檢測電流限製。TI 的 BLDC 電機驅動器DRV8316-Q1可以提供3 個電流檢測放大器 (CSA) 來檢測電機相電流
，並作為微控製器模數轉換器的模擬電壓反饋。DRV8316-Q1集成式低側電流檢測架構無需外部分流電阻器；其通過電流鏡像技術檢測低側 MOSFET 的電機電流，並將其轉換為模擬電壓。這種形式的電流檢測主要用於集成式MOSFET BLDC 電機驅動器。

2. 接口

在驅動 BLDC 電機旋轉之前，必須對許多驅動器設置進行適當配置和調優，以便電機係統能夠穩健高效地工作。 例如
，其中一些設置可能包括過流保護閾值、柵極驅動電流設置或 PWM 輸入模式。TI BLDC 電機驅動器提供多 種接口來簡化配置設置、診斷電機故障，甚至是控製電機本身。DRV8316-Q1支持串行外設接口 (SPI)、硬件 (H/W) 接口進行通信。

3. 功率集成

為了提供外部電源軌來為係統中的其他器件或電路供電（例如 MCU 和 CSA 基準電壓），許多 TI BLDC 電機驅動器都提供了集成式降壓穩壓器和線性壓降穩壓器 (LDO)。DRV8316-Q1內置 3.3V (5%)、30mA LDO 穩壓器、內置 3.3V/5V、200mA 降壓穩壓器。

4. 100% 占空比支持

外部功率級中的高側 N 型 MOSFET 需要比電機電壓高大約 10V的電壓，才能完全增強MOSFET。在某些應用中，此 FET 需要在整個 PWM 周期內（100% 占空比支持）導通，這在提供穩壓柵極電壓和柵極電流的設計中帶來了挑戰。TI 提供了兩種集成選項來支持高側 MOSFET 增強所需的 100% 占空比：自舉或電荷泵架構。

自舉架構使用外部自舉電容器來通過外部提供或內部生成的柵極驅動電壓 (GVDD) 提供高側 MOSFET 增強。為了刷新自舉電容器
，必須斷開高側 FET
，並且必須在最短時間內導通低側 FET。為了支持 100% 占空比，器件中集成了涓流電荷泵，以便增強高側MOSFET。自舉架構成本低

、集成度小，且效率高。

電(dian)荷(he)泵(beng)架(jia)構(gou)集(ji)成(cheng)了(le)倍(bei)增(zeng)或(huo)三(san)倍(bei)電(dian)荷(he)泵(beng)控(kong)製(zhi)器(qi)，用(yong)於(yu)調(tiao)節(jie)來(lai)自(zi)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)高(gao)側(ce)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)外(wai)部(bu)自(zi)舉(ju)電(dian)容(rong)器(qi)，並(bing)且(qie)隻(zhi)需(xu)兩(liang)個(ge)電(dian)容(rong)器(qi)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)電(dian)荷(he)泵(beng)運(yun)行(xing)。倍(bei)增(zeng)或(huo)三(san)倍(bei)電(dian)荷(he)泵(beng)可(ke)滿(man)足(zu)更(geng)低(di)的(de)最(zui)低(di)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)要(yao)求(qiu)，從(cong)而(er)生(sheng)成(cheng)高(gao)側(ce) MOSFET 柵極驅動電壓。

圖 7. BLDC 電機驅動器中的自舉和涓流電荷泵架構（左）和電荷泵架構（右）

5. 既可支持無傳感器磁場定向控製(FOC)也可支持含傳感器FOC

可能存在客戶擔心無位置傳感器方案位置不準確
，客戶也可有選擇的采用含位置傳感器的FOC方案。既可支持無傳感器磁場定向控製(FOC)也可支持含傳感器FOC 為客戶提供了多種可能，供其選擇。對於位置傳感器
，TI主推兩款：DRV5055、TMAG5173-Q1。DRV5055-Q1是一款線性霍爾效應傳感器
，可按比例響應磁通密度。該器件可用於在各種應用中進行精確的位置感測。該器件由 3.3V 或 5V 電源供電。

MSPM0 為什麼適用於 BLDC的 FOC方案
？

TI的可擴展 M0+ MSPM0Gxx 高性能 MCU 具有先進的片上電機控製外設

，可以為各種電機控製應用提供設計。該產品係列涵蓋 32KB 至 128KB 的閃存，並具有可擴展的模擬集成、電機控製外設和 CAN。在 BLDC的FOC 應用中
，MSPM0 監控電機狀態並運行 FOC 算法。根據係統架構和電機電壓，FOC應用中使用了兩種主要的模擬集成拓撲
，特別是在需要使用觀測器估算電機實時位置的無傳感器 FOC 應用中。MSPM0G 還提供了一個集成硬件加速器用於執行計算
，以在 30kHz PWM 頻率或更高頻率下實現高效的 FOC 性能。

圖8. MSPM0G係列

●   80MHz M0+ CPU – 縮短 FOC 算法和檢測信號的處理時間

●   集成數學加速器

– 用於定點和 IQ 格式數字的 32 位硬件除法器（8 個周期）

– 在 21 個周期內完成平方根運算

– 在 29 個周期內完成 24 位三角函數計算（sin
、cos
、atan）

●   兩個獨立的 4MSPS 12 位 ADC 模塊（多達 16 個通道）

– 多達 11 個 ENOB 並具 SNR

– 在 250ns 內進行高達 4MSPS 的 ADC 升壓電機相電流檢測

●   兩個“零漂移”斬波運算放大器 - 精確放大兩相電流並計算第三相電流

●   三個高速比較器 – 以零等待時間實現電機的硬件低側電流限製

●   先進的電機控製計時器 – 靈活的 6 PWM 控製和交叉觸發器

– 中心對齊的 PWM 生成

– 非對稱 PWM 允許以受控的相移生成兩個中心對齊的 PWM 信號。

– 具有死區插入的互補 PWM

– 交叉觸發器生成 ADC 時序以捕獲兩相電流

●   具有毛刺幹擾濾波器的穩健 IO 設計 – 提供在存在電機噪聲的情況下仍可靠運行的係統。

●   全麵的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI 和 CAN-FD，可滿足電機控製係統的所有通信要求。

●   FOC 算法庫 – 縮短電機控製設計的上市時間。（多種設計資源）

●   可擴展 MCU 產品係列 - 涵蓋各種閃存選項的引腳對引腳兼容器件。

●   低成本、小尺寸封裝 - 適用於空間受限的設計的選項。

●   寬工作溫度範圍（-40°C 至 +125°C）

●   符合汽車級 Q100 標準的功能安全選項（高達 ASIL-B），可確保係統穩定性和可靠性。

方案二：單芯片無代碼無傳感器 FOC方案—MCF8316C-Q1

隨著電子電路的高度集成化，完全集成式解決方案可進一步降低成本
，減少布板空間。例如TI的MCF8316C-Q1完全集成式單芯片無代碼無傳感器 FOC方案，使成本進一步降低。 該集成芯片采用預編程
、隻需微調的無刷直流電機控製算法、可在係統設計階段通過MCU的簡單I2C接口配置集成的電可擦除可編程隻讀存儲器來實現。它們還提供硬件配置、支持係統設計人員在沒有 MCU 的情況下調整電機。MCF8316C-Q1集成了六個MOSFET
、實現了采用7mmx5mm封裝的完整實時電機控製解決方案。MCF8316C-Q1 為客戶提供了一個單芯片無代碼無傳感器 FOC 方案，可用於驅動12V 至 24V 無刷直流電機 (BLDC)，峰值電流高達 8A，功率高達40W。4.5V 至 35V 工作電壓（絕對大值 40V）。

圖9. 方案二 MSPM0G3507+DRV8316-Q1

若需要CAN接口進行通訊，則也可接一個MCU，但無需自己調試FOC算法，MCF8316C-Q1集成了FOC算法


，並具有多種調優功能。

圖10.利用MCU做橋接進行通訊

單芯片無代碼無傳感器 FOC方案—MCF8316C-Q1的特點及優勢：

1. 使用無需編程無傳感器電機控製來縮短設計時間

MCF8316C-Q1無刷直流電機驅動器包括一係列獨特的換向控製算法，無需開發、維wei護hu和he驗yan證zheng電dian機ji控kong製zhi軟ruan件jian算suan法fa，從cong而er大da大da減jian少shao設she計ji時shi間jian。這zhe些xie算suan法fa和he高gao集ji成cheng特te性xing可ke以yi使shi電dian機ji係xi統tong能neng更geng好hao地di管guan理li電dian機ji故gu障zhang檢jian測ce等deng關guan鍵jian功gong能neng並bing實shi施shi保bao護hu機ji製zhi

，從cong而er提ti高gao係xi統tong可ke靠kao性xing。MCF8316C-Q1集成了無傳感器技術來確定轉子位置，因此無需外部霍爾傳感器，從而降低了係統成本並提高了可靠性(位置傳感器受環境影響可能會失效或者測量不準確)。

此外
，MCF8316C-Q1 無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)磁(ci)場(chang)定(ding)向(xiang)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)智(zhi)能(neng)地(di)提(ti)取(qu)電(dian)機(ji)參(can)數(shu)，使(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)快(kuai)速(su)調(tiao)優(you)電(dian)機(ji)
，使(shi)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)機(ji)實(shi)現(xian)一(yi)致(zhi)的(de)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)
，而(er)不(bu)受(shou)電(dian)機(ji)製(zhi)造(zao)差(cha)異(yi)的(de)影(ying)響(xiang)。此(ci)外(wai)
，若(ruo)對(dui)噪(zao)聲(sheng)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)的(de)場(chang)合(he)
，通(tong)過(guo) MCT8316Z-Q1 無傳感器梯形控製電機驅動器，設計人員僅需五個硬件引腳即可對電機進行調優。由於無需微控製器接口
，因此可簡化係統。

2. 更低的噪音

在zai電dian機ji驅qu動dong器qi應ying用yong中zhong
，噪zao音yin是shi指zhi電dian機ji換huan向xiang和he諧xie波bo頻pin率lv造zao成cheng的de可ke聞wen噪zao聲sheng。電dian機ji相xiang電dian流liu中zhong的de任ren何he失shi真zhen都dou會hui造zao成cheng可ke聞wen噪zao聲sheng。電dian機ji中zhong的de定ding子zi勵li磁ci會hui在zai可ke聞wen頻pin率lv範fan圍wei內nei產chan生sheng機ji械xie諧xie振zhen，進jin而er導dao致zhi出chu現xian可ke聞wen噪zao聲sheng。當dang電dian機ji以yi較jiao低di速su度du運yun行xing時shi，能neng夠gou清qing楚chu地di聽ting到dao電dian機ji換huan向xiang造zao成cheng的de噪zao音yin。對dui於yu車che內nei旋xuan轉zhuan屏ping和he可ke翻fan轉zhuan吸xi頂ding屏ping應ying用yong，降jiang低di噪zao音yin能neng在zai很hen大da程cheng度du上shang提ti升sheng乘cheng車che體ti驗yan感gan，因yin此ci降jiang低di噪zao聲sheng是shi對dui電dian機ji驅qu動dong應ying用yong不bu可ke或huo缺que。對dui於yuMCF8316C-Q1，係統設計人員可以通過連續PWM調製

、死區時間補償和可變換向模式等控製技術最大限度地降低可聽噪音。

（1）連續PWM調製技術：

zailianxukongjianshiliangtiaozhifanganzhong，xiangdianliuboxingzhengxingjiangweizhengxianxingzhuangqiemeiyoushizhen。zaifeilianxukongjianshiliangtiaozhifanganzhong
，didiangandianjiyujihuicunzaixiangdianliushizhen，yinweizhiyoulianggexiangweihuijinxingmaikuantiaozhi。tu11展示了非連續 PWM 調製模式下的相電流波形與相電流快速傅裏葉變換 (FFT)。圖12展示了連續 PWM 調製模式下的相電流波形與相電流 FFT。與非連續調製模式中的相電流波形相比
，連續調製模式中的相電流波形會更加幹淨，也更像正弦形狀。

圖11. 相電流波形與 FFT - 非連續 PWM 調製      

圖12.相電流波形與 FFT - 連續 PWM 調製

（2）死區時間補償：

在半橋橋臂上，高側和低側 MOSFET 的(de)開(kai)關(guan)瞬(shun)間(jian)之(zhi)間(jian)會(hui)存(cun)在(zai)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)，以(yi)避(bi)免(mian)發(fa)生(sheng)電(dian)流(liu)擊(ji)穿(chuan)。由(you)於(yu)存(cun)在(zai)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)插(cha)入(ru)，相(xiang)節(jie)點(dian)上(shang)的(de)預(yu)期(qi)電(dian)壓(ya)與(yu)施(shi)加(jia)的(de)電(dian)壓(ya)會(hui)因(yin)相(xiang)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)而(er)異(yi)。相(xiang)節(jie)點(dian)電(dian)壓(ya)失(shi)真(zhen)會(hui)在(zai)相(xiang)電(dian)流(liu)中(zhong)引(yin)入(ru)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)失(shi)真(zhen)，進(jin)而(er)導(dao)致(zhi)可(ke)聞(wen)噪(zao)聲(sheng)。MCF8316C-Q1使shi用yong一yi項xiang獲huo得de專zhuan利li的de精jing密mi自zi動dong死si區qu時shi間jian補bu償chang技ji術shu

，利li用yong諧xie振zhen控kong製zhi器qi將jiang相xiang電dian流liu中zhong的de諧xie波bo分fen量liang控kong製zhi為wei零ling，從cong而er確que保bao緩huan解jie死si區qu時shi間jian導dao致zhi的de電dian流liu失shi真zhen。Iq 和 Id控製路徑中都包含諧波控製器。圖13展示了禁用死區時間補償時的相電流波形與相電流FFT。圖 14展示了啟用死區時間補償時的相電流波形與相電流 FFT。在以下圖片中
，PWM 輸出頻率設為 60 kHz
，死區時間設為500ns。電機頻率為12Hz。如圖中電流波形的 FFT 所示（信號以粉色顯示），在啟用死區補償後，相電流波形變得更加幹淨。

圖13. 相電流波形與 FFT - 禁用死區時間補償      

圖14. 相電流波形與 FFT - 啟用死區時間補償

圖15. 禁用死區時間補償和啟用死區時間補償的對比

為了更好的對噪聲情況進行衡量，使用手持式聲級計測量了聲學性能（以dBA為單位）。借助死區補償和連續 PWM 調製方案
，在電機電氣頻率為 33Hz
，可聞噪聲減少了 3.3 dBA。（MCF8316C-Q1基本性能與MCF8316A相同，MCF8316C-Q1在MCF8316A的基礎上進行了更合理的優化設計）。

圖16. 采用 MCF8316A 時的可聞噪聲比較（距離電機2cm處的測量數據）

需要強調的是噪音的大小與距離電機的距離緊密相關。點聲源聲傳播距離增加一倍，衰減值是6 dB
，我們的測試條件是在距離電機2cm處進行的測量
，當距離電機50cm處測量時，電機的可聽噪音將低於30dB，甚至更低。

(3) 可變換向方案（針對MCT8316Z-Q1無傳感器梯形控製）：

在可變換向方案中，MCT8316A 器件會根據電機頻率

，在 120° 和 150° 梯形換向之間動態切換。在較低速度下，該器件會以 150° 模式工作，而在較高速度下，則會切換至 120° 模式。在 120° 換huan向xiang模mo式shi下xia
，當dang電dian機ji相xiang位wei因yin為wei儲chu存cun的de電dian感gan電dian流liu而er進jin入ru高gao阻zu態tai狀zhuang態tai時shi，相xiang電dian流liu中zhong會hui出chu現xian轉zhuan矩ju紋wen波bo，進jin而er導dao致zhi聲sheng學xue噪zao聲sheng。為wei了le減jian少shao轉zhuan矩ju紋wen波bo的de影ying響xiang並bing改gai善shan聲sheng學xue噪zao聲sheng性xing能neng
，MCT8316A 器件會在可變換向模式下延長 120° 驅動時間並在進入高阻態前逐漸減少占空比，從而減小相電流。在此模式下，相位會在 30° 和 60° 之間處於高阻態，並且該窗口大小會根據速度進行動態調整
，當窗口尺寸較小時，可以獲得理想的聲學性能。圖 17展示了 150° 換向模式下的相電流與電流波形 FFT。在 150° 換向模式中，相電流形狀更像正弦波形。

圖17. 相電流波形與 FFT - 120° 梯形換向            

圖18. 相電流波形與 FFT - 150° 梯形換向

3. 利用實時控製加快係統響應和多種啟動及運行功能

MCF8316C-Q1 是業內先進的產品，可提供快速且受控的方式來主動降低電機速度，使工程師能夠以比傳統電機控製技術快 50% 的速度關停電機。此外，該芯片可在關停電機時將能量有選擇地泵回電源軌，從而保護係統免受損壞。此外，MCT8316Z-Q1 無傳感器梯形控製電機驅動器可以達到最大3.5kHz的電機頻率
，比任何其他無需編程的無傳感器電機驅動器都快。這在需要快速和精確電機控製的應用中加快了係統響應。

可靠的電機啟動：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1通過對齊或初始位置檢測 (IPD)，可以準確檢測電機的轉子位置，確保可靠的電機啟動。初始速度檢測 (ISD)
，支持在 10ms 以內重新同步。

功率限製：MCF8316C-Q1和MCT8316Z-Q1具ju有you功gong率lv限xian製zhi功gong能neng，可ke防fang止zhi電dian池chi出chu現xian電dian湧yong。負fu載zai突tu然ran變bian化hua會hui導dao致zhi電dian機ji消xiao耗hao更geng多duo電dian能neng並bing產chan生sheng尖jian峰feng。功gong率lv限xian製zhi功gong能neng會hui設she置zhi功gong率lv閾yu值zhi以yi避bi免mian發fa生sheng尖jian峰feng。這zhe延yan長chang了le電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming
，從cong而er使shi消xiao費fei者zhe不bu必bi更geng換huan器qi件jian。

主動製動和電機鎖定功能：檢測或預測轉子鎖定的能力有助於更大限度地減少功率損耗、器件故障或損壞。TI 的MCF8316C-Q1可在電機運行期間持續檢查不同的電機鎖定條件、並在檢測到鎖定事件時立即采取行動。例如在吸頂屏應用中，若吸頂屏被異物卡住時，係統負載激增
、這種情況會被係統判定為電機鎖定狀態、然後電機能夠向相反方向旋轉以鬆開物體並繼續正常運行。

4. 減少70%的布板空間

MCF8316C-Q1和 MCT8316Z-Q1可幫助設計師縮小70%的布板空間，並降低電機係統的總成本。該芯片集成了三個柵極驅動器和六個高側和低側 MOSFET，每個均具有 50mΩ 的導通電阻(高側加低側的RDS(ON) (HS + LS) 為95mΩ)。這兩個電機驅動器還集成了例如低壓降（LDO）穩壓器
、直流/直流降壓穩壓器和電流檢測放大器等元件，省去了18個分立式元件，進一步降低了係統成本。

3. 有刷直流電機

有you刷shua電dian機ji結jie構gou簡jian單dan，發fa展zhan時shi間jian長chang，技ji術shu比bi較jiao成cheng熟shu
，控kong製zhi電dian路lu簡jian單dan。直zhi流liu有you刷shua電dian機ji控kong製zhi精jing度du高gao
，直zhi流liu有you刷shua電dian機ji通tong常chang與yu齒chi輪lun箱xiang和he編bian碼ma器qi配pei合he使shi用yong，使shi電dian機ji的de輸shu出chu功gong率lv更geng大da，控kong製zhi精jing度du更geng高gao。但dan有you刷shua直zhi流liu電dian機ji運yun行xing噪zao音yin較jiao大da，且qie由you於yu電dian刷shua的de存cun在zai壽shou命ming較jiao短duan。這zhe就jiu需xu要yao根gen據ju需xu要yao進jin行xing權quan衡heng了le。

對於旋轉屏和吸頂屏

，有刷直流電機也是適用的。TI推薦使用完全集成式高功率密度電機驅動器DRV8243-Q1減小係統尺寸。MSPM0 MCU 憑借其豐富的產品係列和模擬功能以及針對有刷直流電機控製優化的軟件資源
，可以充分發揮 H 橋結構的作用。想查看更多關於MSPMO MCU控製無刷電機的相關文檔
，請點擊下麵鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進電機和有刷直流 (BDC) 電機實現優化的 H 橋驅動器控製 (Rev. A) (ti.com.cn)

DRV8243-Q1的特點及優勢：

1. 減少係統尺寸和布板空間

在設計成本優化型汽車係統時

、需要重點考慮減小係統尺寸和減小布板空間。減小封裝尺寸並將功能集成到有刷直流驅動器中
、可減少外部元件數量

、從而節省布板空間並降低成本。RV8243-Q1係列推出了汽車類 HotRodTM QFN封裝、尺寸下限為3mm x 4.5mm、是用於有刷直流驅動的同類產品中的超小封裝之一。

集成電流檢測：采用內部電流鏡架構和電流反饋引腳、無需外部電流檢測電阻器、從而節省布板空間並降低成本。

集成式場效應晶體管(FET)解決方案- DRV8243-Q1係列可輸出高達12A的驅動電流。 借助支持中高電流的集成式解決方案
、無需使用柵極驅動器和外部FET
、可節省布板空間和成本。

2. 先進的故障保護和診斷功能

DRV8243-Q1芯片係列是首批在電機驅動器處於開啟和關閉狀態時都能提供開路負載檢測和短路保護的芯片。即使H橋處於關閉狀態、該功能也有助於避免電機驅動器損壞或出現異常的故障。

SPI 界jie麵mian給gei出chu保bao護hu設she定ding和he詳xiang細xi故gu障zhang診zhen斷duan，旨zhi在zai確que定ding故gu障zhang的de類lei型xing及ji其qi位wei置zhi，通tong過guo所suo提ti供gong得de電dian機ji驅qu動dong器qi故gu障zhang問wen題ti根gen源yuan
，可ke節jie省sheng設she計ji人ren員yuan排pai除chu修xiu改gai故gu障zhang的de時shi間jian。

3. 采用可擴展驅動器優化設計時間

DRV8243-Q1係列的 H 橋和半橋驅動器支持設計重複使用、可在汽車係統中擴展不同負載。 該器件係列具有相似的固件
、功能和封裝引腳排列
、支持在各種負載和電流範圍內重複使用、有助於縮短設計時間。除了具有相似固件外、DRV8243-Q1和 DRV8244-Q1引線式封裝還具有引腳對引腳兼容性
、因此在按比例調高或調低功率級別時更容易插入和更換這些器件。

MSPM0 為什麼適用於步進電機和有刷直流電機控製？

TI 的可擴展 M0+ MSPM0Lx 主流 MCU 具有片上電機控製外設，可為各種電機控製應用提供設計。MSPM0Lxxx 器件具有高達 32MHz 的 CPU 速度和 8KB 至 64KB 的閃存產品係列以及可擴展的模擬集成和電機控製外設
，可用於步進電機和有刷直流電機設計。

圖19. MSPM0L係列

●   32MHz M0+ CPU – 減少控製和檢測信號的處理時間

●   1MSPS 12 位 ADC 模塊（多達 10 個通道）– 檢測 H 橋電流

●   兩個零溫漂斬波運算放大器 – 精確放大雙路 H 橋電流

●   高速比較器 – 為電機實現快速電流保護

●   四個通用計時器 – 靈活的 PWM 控製和交叉觸發器

– 同步和交叉觸發器
，用於生成多相電機控製 PWM

– 多達 8 個 PWM（可以驅動 4 個 BDC 電機或 2 個步進電機）

●   具有毛刺幹擾濾波器的穩健 IO 設計 – 提供在電機噪聲下可靠運行的係統

●   全麵的通信接口 – 包括 UART、I2C、SMBus、SPI，可滿足電機控製係統的所有通信要求。

●   具有引腳對引腳兼容器件的可擴展 MCU 產品係列涵蓋了各種閃存選項。

●   小尺寸封裝適用於空間受限的設計。

MSPM0 在有刷直流電機控製中有什麼作用？

在有刷直流應用中，MSPM0 可以監控電機狀態，運行算法並生成 PWM 來驅動電機（通過前置驅動器器件）。借助可擴展的模擬集成，MCU 可以快速計算出總線電壓、電機電流和轉速的準確值，然後為控製算法提供輸入。MSPM0L13xx 可以生成 8 個 PWM

，因此可以同時驅動 4 個 BDC 電機。

圖20. 用於有刷直流電機控製的 MSPM0L13xx 電機控製方框圖

4. 步進電機

步進電機是一種將脈衝信號轉化為機械角位移或者線位移的控製電機, 它能夠在不涉及複雜反饋環路的情況下實現良好的定位精度，並由於具有價格低廉、易於控製、無積累誤差等優點,在需要高精度控製的場合中中獲得了廣泛的應用，具有較高的實用價值。

步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)是(shi)一(yi)種(zhong)將(jiang)數(shu)字(zi)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)轉(zhuan)化(hua)為(wei)機(ji)械(xie)角(jiao)位(wei)移(yi)或(huo)者(zhe)線(xian)位(wei)移(yi)的(de)數(shu)模(mo)轉(zhuan)換(huan)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)。當(dang)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)接(jie)受(shou)到(dao)一(yi)個(ge)脈(mai)衝(chong)之(zhi)後(hou)就(jiu)驅(qu)動(dong)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)轉(zhuan)動(dong)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)的(de)角(jiao)度(du)即(ji)步(bu)距(ju)角(jiao)。所(suo)以(yi)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)脈(mai)衝(chong)個(ge)數(shu)來(lai)控(kong)製(zhi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)轉(zhuan)動(dong)的(de)角(jiao)位(wei)移(yi)，達(da)到(dao)精(jing)確(que)定(ding)位(wei)的(de)目(mu)的(de)。步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)快(kuai)，易(yi)於(yu)啟(qi)動(dong)、停止和反轉

，無累積誤差
，並在停止時能自鎖，這些使其非常適合用於旋轉屏應用。但步進電機在低速轉動時振動和噪聲都比較大。

對於旋轉屏和吸頂屏
，有刷直流電機也是適用的。TI推薦使用完全集成的步進電機驅動器DRV8889-Q1，可節省布板空間和係統成本。MSPM0 MCU 憑借其豐富的產品係列和模擬功能以及針對步進電機控製優化的軟件資源，可以充分發揮 H 橋結構的作用。想查看更多關於MSPMO MCU控製步進電機的相關文檔，請點擊下麵鏈接。使用 MSPM0 MCU 為步進電機和有刷直流 (BDC) 電機實現優化的 H 橋驅動器控製 (Rev. A) (ti.com.cn)

DRV8889-Q1是完全集成的步進電機驅動器
，可支持高達1.5A的滿量程電流，先進的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達1/256級微步進，以實現平滑的運動軌跡。集成電流感應功能消除了對兩個外部電阻的需求
，從而節省布板空間和成本。

DRV8889-Q1 jichengledianjidianliuganyinghegaojidianlu，kebangzhuzaiweibujinqijianjianceshisu。liyongxianjindeshisujiancesuanfa，shejirenyuankeyijiancedaodianjishifoutingzhiyunxing，binggenjuxuyaocaiqucuoshi
，congertigaoxiaolvbingjianshaozaosheng。

由於電機線圈由脈寬調製 (PWM) 信號驅動，因此 EMI 確實會成為一個問題。DRV8889-Q1 還包含可編程壓擺率控製和擴頻技術
，以幫助降低 EMI。

MSPM0 在步進電機控製中有什麼作用
？

在步進應用中，MSPM0 可以：

●   監控電機狀態（可選）

●   運行 BDC 或步進電機控製算法

●   與柵極驅動器通信
，以設置驅動器或微步進設置（可選）

●   生成 PWM 以驅動電機（通過預驅動器器件）。

借助可擴展的模擬集成，MCU 可以快速計算總線電壓、電機電流和轉速的準確值
，然後為控製算法提供輸入。MSPM0L13xx 可以生成多達 8 個 PWM 信號，因此可以同時驅動兩個步進電機。

使用帶 PWM 接口的步進驅動器的 MSPM0 步進控製

基本步進驅動器通常使用 PWM 接口進行步進控製，其中特定的 PWM 模式可以在控製步進電機位置的同時提供扭矩控製。為此
，MSPM0 提供 4 個 PWM 輸入信號
，使用全步進或半步進換向模式來控製通過步進電機相位的相應電流。

此外，許多步進驅動器包括來自模擬輸入信號的電流調節，這可以使用來自集成比較器的 MSPM0 的 8 位 DAC 輸出來提供
，以使電流曲線變得平滑。該拓撲適用於玩具
、智能鎖、機器人和安全攝像頭等高扭矩或低精度步進應用。

圖20. 使用帶 PWM 接口的步進驅動器的 MSPM0L1xxx 步進電機控製

 5. 用於HUD應用的電機驅動器

對於IVI係統，利用微型步進電機或有刷直流電機驅動 HUD屏並實現翻轉
，可智能控製顯示屏翻轉的角度，滿足不同身高的用戶觀看HUD顯示屏的顯示需求。

TI推薦用於HUD的明星產品為步進電機驅動器DRV8889-Q1和有刷電機驅動器DRV8876-Q1.

DRV8889-Q1是完全集成的步進電機驅動器，可支持高達1.5A的滿量程電流，先進的失速檢測算法和集成電流檢測功能。該器件支持多達1/256級(ji)微(wei)步(bu)進(jin)，以(yi)實(shi)現(xian)平(ping)滑(hua)的(de)運(yun)動(dong)軌(gui)跡(ji)。集(ji)成(cheng)電(dian)流(liu)感(gan)應(ying)功(gong)能(neng)消(xiao)除(chu)了(le)對(dui)兩(liang)個(ge)外(wai)部(bu)電(dian)阻(zu)的(de)需(xu)求(qiu)，從(cong)而(er)節(jie)省(sheng)了(le)布(bu)板(ban)空(kong)間(jian)和(he)成(cheng)本(ben)。利(li)用(yong)先(xian)進(jin)的(de)失(shi)速(su)檢(jian)測(ce)算(suan)法(fa)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)到(dao)電(dian)機(ji)是(shi)否(fou)停(ting)止(zhi)運(yun)行(xing)，並(bing)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi)

，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)並(bing)減(jian)少(shao)噪(zao)聲(sheng)。通(tong)常(chang)W-HUD和AR-HUD采用步進電機驅動器DRV8889-Q1。通常C-HUD既有使用步進電機驅動DRV8889-Q1，也有使用直流有刷電機驅動DRV8876-Q1。

圖21.AR-HUD

圖22. C-HUD

TI電機控製器芯片涵蓋整個汽車電機控製領域。一些終端應用的明星產品目錄如下：

表4. 汽車領域明星產品目錄:

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