汽車應(yīng)用中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)例
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電機(jī)的采用
我們需要追溯至多年前，回顧那段車輛不使用電機(jī)的時(shí)期。那個(gè)時(shí)候，車輛是通過手搖曲柄進(jìn)行發(fā)動(dòng)的，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇和雨刷器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械連接。電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)迅速結(jié)合在一起，這種結(jié)合最初主要是出于舒適度方面的考慮。這些電機(jī)都是低功率電機(jī)（100W ），通常只需要一個(gè)簡單的繼電器驅(qū)動(dòng)負(fù)載，它們是提升系統(tǒng)效率和性能的最佳選擇。隨著電機(jī)開始投入安全應(yīng)用，例如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)和牽引力控制系統(tǒng)，電機(jī)需要更加可靠的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
然而，最近，汽車工業(yè)將注意力轉(zhuǎn)向了降低油耗。綠色交通的壓力已經(jīng)迫使工程師盡可能為車輛找到智能、有效的解決方案。電機(jī)在由智能電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)卓越性能。電子解決方案尤其適用于高功率電機(jī)（>100W）。盡管現(xiàn)代汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置和鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)在都采用電子功率控制，但電機(jī)的應(yīng)用范圍仍然很廣。汽車中的許多功能依然使用與內(nèi)燃機(jī)連接的機(jī)械系統(tǒng)。電子控制能夠在效率方面帶來顯著的改善，水泵和油泵就是很好的例子。利用電氣控制方式，功率能有效傳輸給電機(jī)，使電機(jī)在任何時(shí)候都能夠準(zhǔn)確地滿足功率需求。
變頻技術(shù)為汽車領(lǐng)域帶來重大機(jī)遇
車輛發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置和鼓風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻電機(jī)控制是最新的一個(gè)創(chuàng)舉。老款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置和鼓風(fēng)機(jī)都使用由電阻器和繼電器構(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速被限制為幾個(gè)離散值。實(shí)現(xiàn)任何轉(zhuǎn)速值都需要一個(gè)電阻器與電機(jī)串聯(lián)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能針對(duì)功率需求實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，因而這一解決方案的性能極低。導(dǎo)致大多數(shù)情況下典型效率低于50%。
電力電子技術(shù)的最新發(fā)展使變頻電機(jī)控制成為許多應(yīng)用的首選解決方案。使用變頻控制，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高于90%的典型系統(tǒng)效率。以典型的400W發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為例，在典型負(fù)載周期內(nèi)，采用電子控制器的功耗比電阻風(fēng)扇控制器少100W。節(jié)省的這100W功率相當(dāng)于每100km的燃料消耗量約減少0.1L。
圖1：典型的400W發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇
采用PWM控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)是要符合EMI要求。在20 kHz時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在電池側(cè)產(chǎn)生噪聲。接通和關(guān)斷期間的電流斜率di/dt是EMI的主要來源。為了符合EMI要求，必須在電池和逆變器之間連接一個(gè)無源濾波器。這一濾波器通常由兩個(gè)大電容和一個(gè)電感組成。濾波器的成本是整個(gè)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要成本。在使用MOSFET 的簡單系統(tǒng)中，減小di/dt 的唯一方法就是在柵極插入一個(gè)電阻器以減緩開關(guān)速度。這樣做會(huì)大大增加開關(guān)損耗，降低系統(tǒng)效率，并且需要加大散熱器的尺寸。在這樣的系統(tǒng)中，需要權(quán)衡EMI濾波器和散熱器的尺寸。
AUIR3330S針對(duì)輸出采用專有di/dt 控制，以減少電池板的傳導(dǎo)輻射。這種主動(dòng)di/dt 控制實(shí)現(xiàn)了EMI及開關(guān)損耗性能方面的優(yōu)化，不必再受制于EMI濾波器和散熱器的尺寸權(quán)衡。這一特征的實(shí)現(xiàn)需要在MOSFET中形成特定的柵極，使用分立元件是無法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于帶有驅(qū)動(dòng)器的MOSFET一般應(yīng)用而言，開關(guān)時(shí)間的控制是通過使用柵極電阻控制驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)的。此外，AUIR3330S提供了一個(gè)可以全速范圍驅(qū)動(dòng)任何類型電機(jī)的解決方案。高集成度使設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊的解決方案。只需利用很少的外部組件，就可快速實(shí)現(xiàn)全速范圍設(shè)計(jì)。
主動(dòng)di/dt控制
接通過程中，驅(qū)動(dòng)器會(huì)應(yīng)用大電流以便盡快達(dá)到MOSFET 閾值。電流開始流入MOSFET時(shí)，柵電流降低以限制di/dt。當(dāng)漏-源電壓開始下降時(shí)，柵電流升高以限制開關(guān)損耗。與電阻器驅(qū)動(dòng)的MOSFET相比，di/dt階段開關(guān)損耗相同，但是在dv/dt階段開關(guān)損耗要低很多。因此，在相同EMI水平下，AUIR3330S的功耗低得多，只需要一個(gè)較小的散熱器。主動(dòng)di/dt控制需要一個(gè)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器，能夠在開關(guān)不同階段采用不同的柵電流。AUIR3330S還包含了用于檢測di/dt和dv/dt階段的智能電路。
圖2：主動(dòng)di/dt控制
圖3：故障分析
現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用還需要保護(hù)和故障診斷等附加功能。AUIR3330S 集成了多種用以防止在異常模式下系統(tǒng)出現(xiàn)故障的功能，包括過溫狀況、輸出短路、地線或自舉電容脫斷。在上述任何一種故障狀態(tài)下，AUIR3330S 都能受到保護(hù)，并且會(huì)向微處理器報(bào)告故障診斷結(jié)果。故障診斷結(jié)果是一個(gè)數(shù)值，可直接由微處理器讀取。
此外，AUIR3330S具有電流反饋功能，能夠通過測量流經(jīng)Rifb電阻器的電壓讀取負(fù)載電流。該系統(tǒng)可以監(jiān)測負(fù)載電流，從而控制提供給負(fù)載的功率。并且可以檢測到電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。
電流感測反饋用于設(shè)置過流保護(hù)閾值。當(dāng)通過Rifb 電阻器的電壓超過4.5V 時(shí)，輸出會(huì)自動(dòng)切斷。此功能可防止在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下線路或電機(jī)內(nèi)的任何故障，并且可以經(jīng)過調(diào)整適應(yīng)每個(gè)系統(tǒng)的需要。
評(píng)論