英飞凌基于ARM内核的汽车级电机控制集成芯片

　　引言

　　随着电机在汽车上的广泛应用，如何降低能耗，减少噪音，成了工程师们面临的新难题，传统的电动油泵、电动水泵和散热风扇由继电器控制直流电机的开通或者关断，不能进行调速，在怠速状况时电机仍然高速运转，如果采用脉宽调制控制的直流电机或者三相电机，则可以在不同的工况下选择不同的速度，既可以低速时降低能耗，又可以满负荷时高速高效运转。

　　不光是为了提高能效，采用脉宽调制控制的电机同时也可以提高乘客的舒适感受，防夹车窗，雨刮，天窗，电动座椅以及自动空调等都将会使用到两相直流有刷电机或者三相直流无刷电机，控制系统是其中的关键，决定了系统的稳定性。

　　设计一个三相无刷直流电机控制器，需要选择多少种不同类型的芯片？

　　传统答案应该是4到5种：首先是微控制器，决定了系统的处理能力；其次是电源芯片，用来给微控制器或者其它的逻辑模拟电路供电；三相预驱动芯片和MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Eect Transistor)组成驱动电路；最后，还需要一个廉价可靠的总线收发器，比如LIN总线收发器，用来和其它控制器通信。

　　使用英飞凌的汽车级电机控制集成芯片Embedded Power IC系列则简单的多，直接供电电池电压12V，就可以脉宽调制控制6颗MOSFET，驱动一个三相电机平稳高效运行。

　　1 芯片介绍

　　Embedded Power IC的新一代器件将首先推出两种系列：TLE986X系列控制两相直流有刷电机，TLE987X系列控制三相直流无刷电机，两者的不同在于驱动MOSFET的数量。

　　以TLE987X系列为例，集成芯片的详细系统框图如下：

　　这些模块包括：

　　● ARM.CORTEX.M3内核的32位微控制器

　　● 丰富的定时器资源，可以进行输入捕捉或者输出比较

　　● 10位ADC(Analog to DigitalConverter)模块，包括对外部模拟电压信号的采集和对内部电压信号的监控

　　● 两个高速同步串行接口SSC(Synchronous Serial Interface)和两个全双工异步收发模块UART(Universal Asynchronous Receiver／Transmier)

　　● 专门用于三相电机控制的CCU6模块，可以输出六路同步调制的脉宽调制信号

　　● 两相电机或者三相预驱动，最高可以在25kHz频率下驱动100nC门级电容的MOSFET，可以设置上升下降斜率时间，提高电磁兼容能力，集成一个反极性电压保护N-MOSFET驱动接口

　　● LIN总线收发器，支持最新LIN2.2协议并向下兼容

　　● 电流采样差分放大器，连接到低端采样电阻的两端，将电机电流信号转换成电压信号，可选的0~100增益放大，可以检测偏移地电压

　　● 给内部供电的线性电源模块和一个给外部传感器5V供电的线性电源模块

　　● 内部振荡器，可以节省外部晶振的成本

　　● 两个独立的可编程看门狗

　　● 带中断触发功能的保护策略，包括过流保护，过温保护，过压欠压监测和开路监测

　　基于ARM.CORTEX.M3内核的32位微控制器具备以下特点：

　　● 24MHz或者40MHz主频

　　● 36KB~128KB FLASH可选

　　● 3KB或者6KB M可选

　　● 哈佛体系，独立的指令总线和数据总线

　　● RISC(Reduced Instruction-SetComputer)处理器支持最新Thumb-2指令集

　　● 三级流水线+分支预测

　　● 硬件自动压栈

　　● 32位2-12 周期硬件除法

　　● 单周期 (32x32)乘法

　　● 有位操作

　　● 内置系统节拍定时器

　　● 嵌套向量中断控制器

　　● 中断延迟最大12个时钟周期

　　● 方便操作系统移植

　　● 指令执行速度1.25DMIPS/MHz

　　● 功耗0.19mW/MHz

　　这些特点使得系统在电机控制FOC(Field Oriented Control)算法时游刃有余，在40MHz的主频下处理器负载不超过50%。

　　2 不同种类电机控制

　　常见在汽车车身上的电机应用包括直流有刷电机控制，有霍尔/无霍尔直流无刷电机控制和永磁同步电机控制，不论是哪一种电机控制方案，Embedded PowerIC都是最理想的选择。

　　控制直流有刷电机算法相对简单，EmbeddedPower IC中的TLE986X系列可以轻松应对， 只需要驱动全桥或者半桥， 调制占空比的大小就可以控制直流电机电流大小；可以开环启动或者运行，系统不同反馈信号不同，比如电动油泵会有油压信号返回，电动水泵反馈水温信号。

　　TLE986X系列和TLE987X系列一样都集成了一路电流采样差分放大器，用来检测低边电流，做反馈或者诊断信号使用。

　　2.1 有霍尔无刷直流电机控制

　　有霍尔无刷直流电机控制方法简单，稳定可靠，作为最基本的三相电机控制方案在汽车上广泛使用，TLE987X系列集成了很多专有模块，只需要配置好寄存器，大部分工作可以交给硬件完成，最大程度的减轻了软件工程师同时也是处理器的负荷。CCU6作为成熟的电机控制模块已经在英飞凌原有的8位微处理器以及上一代Embedded Power IC上得到使用。T13负责脉宽调制，与T12输出的换向信号混合，输出六路同步调制的脉宽调制信号，同时T12的CCPOS0/1/2负责捕捉三路霍尔信号。

　　常见的一对级无刷直流电机模型，CCPOS0/1/2连接到H0/1/2捕捉霍尔信号，自动对比寄存器内的下一个霍尔信号，如果相等则表明此刻需要换向，硬件自动输出对应的COUT60/1/2和CC60/1/2信号，控制6个MOSFET的A+、B+、C+、A-、B-、C-，同时触发中断，工程师可以在中断程序中编写代码，更新下一个霍尔信号对应输出的寄存器，采集电流值或者其他反馈信号。

　　2.2 无霍尔无刷直流电机控制

　　TLE987X系列同样集成了反电动势检测模块来应对无霍尔的无刷直流电机方案，在反电动势过零点时比较器输出信号，替代原有的霍尔信号，相比有霍尔方案，无霍尔方案需要工程师做更多的工作和研究算法，一般来说会遇到以下的一些困难：

　　● 电机换向和反电动势过零点有理论上的30°角度差，需要根据实时的速度信息估算换向时间差

　　● 电机静止时没有反电动势，低速时反电动势很低，很难检测或是信号不稳定，需要启动及低速的开环运行算法

　　2.3 其它电机控制

　　汽车应用中另外一种常见的电机是永磁同步电机，这类电机除了需要输出正弦波，一般还需要FOC(Field Oriented Control)算法支持，这就要求微处理器具有高效的乘除法和其它数学函数的处理能力，32位处理能力的ARM.CORTEX.M3内核可以轻松处理这类算法，并且可以得到ARM公司丰富的标准函数库支持。

　　3 汽车应用

　　TLE986X系列和TLE987X系列管脚兼容，使用相同的VQFN-48封装，7mm×7mm的尺寸非常小，相比传统的4到5种芯片方案节省了相当大的空间，满足AEC(Automotive Electronic Council)汽车芯片等级要求，特别适用于汽车应用中需要将控制器集成在电机机械封装内的应用场合，比如油泵、水泵、散热风扇、自动空调和天窗门窗等车身电控系统的电机控制，只需要通过一根LIN总线就可以收发信息，和其它控制器进行交互，同时这些电控系统并不需要像电子助力转向系统这样非常高的控制精度和反应速度，24MHz或者40MHz处理速度足够应对。

　　参考文献：

　　[1]Infineon Technologies AG.——TLE9869QX Microcontroller with LIN and H-Bridge MOSFET Driver for Automotive Applications，User’s Manual，Rev.0.34，2013-12-19

　　[2]Infineon Technologies AG.——TLE9879QX Microcontroller with LIN and H-Bridge MOSFET Driver for Automotive Applications，User’s Manual，Rev.0.34，2013-12-19

　　[3]Infineon Technologies AG.——TLE9869QX Microcontroller with LIN and H-Bridge MOSFET Driver for Automotive Applications，Target DataSheet，Rev.0.33，2014-01-23

　　[4]Infineon Technologies AG.——TLE9879QX Microcontroller with LIN and H-Bridge MOSFET Driver for Automotive Applications，TargetDataSheet，Rev.0.33，2014-01-23

　　[5]Infineon Technologies AG.——Sensorless Brushless DC Motor Control Using Infineon 8-bit XC866 Microcontroller，Rev.1.0，2006-10

　　刘赓 李诗念 钱伟喆 英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子部 应用工程师

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