先進(jìn)的電機(jī)解決方案應(yīng)對(duì)汽車電氣化挑戰(zhàn)

為了減少排放，包括歐盟和美國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)政府已對(duì)內(nèi)燃機(jī)提出了強(qiáng)制的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)。這些舉措需要技術(shù)方面的創(chuàng)新進(jìn)步，因而推動(dòng)對(duì)提高燃油效率的需求，但這會(huì)增大設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的負(fù)擔(dān)，并可能影響開(kāi)發(fā)循環(huán)時(shí)間。

著其中涉及的重點(diǎn)領(lǐng)域是開(kāi)發(fā)相關(guān)戰(zhàn)略，以減少對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載。有數(shù)據(jù)表明，在汽車消耗的所有燃油中，只有15%的能量用于在道路上驅(qū)動(dòng)車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)低效率造成很大的能量浪費(fèi)。因此，減輕負(fù)載能讓發(fā)動(dòng)機(jī)更高效的工作，因此有利于減少燃料消耗。我們面臨的挑戰(zhàn)是在提供相同或更高性能的同時(shí)，保持或改善整體駕駛體驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，對(duì)汽車電氣化的需求不斷提高，其中包括使用電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)。為此，全球汽車市場(chǎng)中的電機(jī)應(yīng)用正以 4.7% 的年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)。 具體而言，汽車應(yīng)用的直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）市場(chǎng)預(yù)計(jì)超出其他類型電機(jī)增長(zhǎng)率的兩倍，從 2014 年到 2019 年，CAGR 達(dá)到 6.3%。

利用電氣解決方案改善這些系統(tǒng)為一級(jí)制造商帶來(lái)了新挑戰(zhàn)，這些新創(chuàng)新需要增加員工數(shù)量和開(kāi)發(fā)時(shí)間。設(shè)計(jì)師也正在謀求縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)保持高性能目標(biāo)應(yīng)用的技術(shù)途徑。因此，BLDC 電機(jī)控制的市場(chǎng)份額正在逐步增加。例如，通常采用皮帶傳動(dòng)的汽車水泵已經(jīng)過(guò)渡到電機(jī)。這是起停系統(tǒng)的需求，由此可提高效率并減少排放。為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑循環(huán)，使用電機(jī)替換皮帶傳動(dòng)泵。其他受發(fā)動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)影響而需要轉(zhuǎn)換為BLDC電機(jī)的應(yīng)用包括液壓和油泵等等。

新一代集成有復(fù)雜交流算法的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 簡(jiǎn)化了 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。Allegro MicroSystems, LLC 等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出成熟算法，用于傳感器和無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)的梯形和正弦控制，因此工程師不再具有編寫和驗(yàn)證軟件的困難，幫助其滿足緊迫的時(shí)間要求。

圖 1：Allegro 專有算法能夠縮短客戶設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間。

在眾多 Allegro 高級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，換向算法（commutation algorithm）已經(jīng)集成到了 IC，易用使用的軟件 GUI 通過(guò) USB 將參數(shù)傳遞給片上 EEPROM，供片上算法使用。這使沒(méi)有軟件編程經(jīng)驗(yàn)的工程師可以設(shè)計(jì)并驗(yàn)證電機(jī)系統(tǒng)，打破了軟件開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證耗時(shí)的任務(wù)瓶頸。這種創(chuàng)新還可以降低微控制器的工作負(fù)載，可以讓開(kāi)發(fā)者使用低功率（低成本）的MCU器件。對(duì)于一些應(yīng)用，甚至可以取消微控制器，進(jìn)一步節(jié)省成本。

Allegro能夠提供A4960和A4962等高度集成的無(wú)傳感器BLDC驅(qū)動(dòng)器，這些器件集成有片上無(wú)傳感器梯形換向算法以及高功率柵極驅(qū)動(dòng)器，以增強(qiáng)外部逆變器橋電路。高集成度功能通?？捎傻轿⑻幚砥骶幊蹋梢允惯@些器件通過(guò)集成閉環(huán)速度或力矩控制來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。全面的診斷反饋可發(fā)送給電子控制單元 （ECU），提供有關(guān)同步、過(guò)壓、欠壓或 MOSFET 短路條件等信息。通過(guò)PWM輸入發(fā)送故障診斷可以實(shí)現(xiàn)單線操作。

多功能算法提供豐富的編程參數(shù)，只需在片上 EEPROM 內(nèi)修改參數(shù)，就可以使工程設(shè)計(jì)為不同的產(chǎn)品重新使用硬件等資源。因此，Allegro 可編程電機(jī)驅(qū)動(dòng)器易于使用，并可重復(fù)用于多種電機(jī)、負(fù)載和其他應(yīng)用。高集成度 IC 可與 Allegro 編程工具一起使用，簡(jiǎn)化工作流程，并縮短設(shè)計(jì)周期，促進(jìn)客戶創(chuàng)新。這些解決方案使制造商通過(guò)更高的電氣化來(lái)滿足嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)為最終客戶提供更高的性能。

圖 2：Allegro 軟件能夠設(shè)置參數(shù)并直接將其加載至 EEPROM，實(shí)時(shí)評(píng)估變化。

展望未來(lái)，自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展趨勢(shì)將繼續(xù)推動(dòng)車輛電氣化程度的不斷提高。市場(chǎng)分析公司IHS Automotive 預(yù)計(jì)，到 2025 年，自動(dòng)駕駛汽車銷量將接近 60 萬(wàn)輛。此外，IHS預(yù)計(jì)，2025～2035年之間，自動(dòng)駕駛汽車銷量的年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 將達(dá)到43%，到2035年接近 2100 萬(wàn)輛。這種高速增長(zhǎng)將刺激電機(jī)控制應(yīng)用的不斷增加，系統(tǒng)集成將不斷促使設(shè)計(jì)師尋找創(chuàng)新解決方案。自動(dòng)駕駛汽車需要集成冗余系統(tǒng)，以便能夠更好地幫助消費(fèi)者應(yīng)對(duì)安全問(wèn)題，汽車將為駕駛員做出更多決策，或借助一些新的功能，可以完全不用駕駛員參與決策流程。

Allegro MicroSystems, LLC等公司正在制造并不斷開(kāi)發(fā)滿足 ISO 26262 安全標(biāo)準(zhǔn)的未來(lái)產(chǎn)品。 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)定義了汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) 包括的相關(guān)要求，其中包括涉及公路汽車安全相關(guān)電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程和設(shè)計(jì)。這些標(biāo)準(zhǔn)需要集成電路元件供應(yīng)商將更多功能集成到現(xiàn)有的解決方案，并要求器件能夠運(yùn)行診斷和更新?tīng)顟B(tài)的通信。這些創(chuàng)新產(chǎn)品能夠提供片上監(jiān)控和驗(yàn)證功能，從而幫助工程師簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期。

隨著汽車市場(chǎng)不斷創(chuàng)新，以滿足對(duì)改善性能和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的需求，再加上自動(dòng)駕駛汽車市場(chǎng)的未來(lái)預(yù)期發(fā)展，電機(jī)系統(tǒng)將持續(xù)發(fā)揮越來(lái)越大的作用，成為替代機(jī)械系統(tǒng)的更高效解決方案。因此，設(shè)計(jì)工程師需要利用先進(jìn)的電機(jī)和相關(guān)產(chǎn)品，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，同時(shí)為客戶提供更多增值功能，以最終實(shí)現(xiàn)具有成本效益競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。Allegro MicroSystems, LLC認(rèn)識(shí)到這種需求，并提供業(yè)界領(lǐng)先的創(chuàng)新產(chǎn)品，滿足汽車市場(chǎng)未來(lái)的嚴(yán)格要求。