2015：工业与汽车电子展望

　　摘要：通过走访部分电机驱动、汽车电子、测试测量的领先厂商，展望了相关领域的发展趋势。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/267421.htm

　　关键词：电机驱动；汽车电子；测量；MCU；FPGA

　　DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.1.002

　　电机驱动的关键词：高效、一对多和远程控制

　　纵观2014年，电机控制的发展速度虽然不像消费品那样迅猛，但是一直在不断进步，比如近两年大热的FOC控制和家电变频化，以及因传感器的一些弊端引发的无传感器控制需求，业界都有很强烈的兴趣。

　　Microchips公司16位单片机产品部产品营销经理Erlendur Kristjansson指出， 在接下来几年， 采用梯形波或6步逆变器控制的BLDC电机正转向依靠无传感器磁场定向控制(FOC)的永磁同步电机(PMSM)。

　　随着对能源效率关注度的增加，电机首当其冲成为了改进的目标，因为它们的耗电量几乎达到了全球的一半。全球数百万家庭中，电冰箱、空调和循环泵等应用都有电机；而这些电机几乎一刻不停地运转着。改进这些电机的效率，延长其使用寿命可降低污染、节省金钱。使用无传感器FOC来控制电机需要更加复杂的数学算法，进而提高了对性能的要求。它还要求更多模拟功能，如运放、PGA或是ADC的多路同时采样，以测量相电流。

　　飞思卡尔半导体公司的业务扩展经理李唐山：电机驱动面临的技术上挑战比较多，比如在无传感器的情况下使用FOC，尤其是启动前没有反电动势的存在，控制系统无法知道目前转子的位置，所以启动过程一般是直接开环拉起再逐步测量切入闭环，这种方式的失败率偏高，在工业领域一般难以接受。也可以用高频注入法等方式来获取大概的转子位置，再进行细分调节，这又需要更高的MCU性能。

　　还有低速的问题，变频家电要求夜晚超低速，转速越低反电动势越低，反馈信号的波动也越大，如何在低速情况下保持对电机的快速准确控制一直是个很具挑战性的技术难题。

　　随着系统的复杂程度增加，需要用单个芯片控制多个电机，比如三合一的变频空调，压缩机风机和交错式PFC的控制都由一块MCU完成，这就需要MCU性能强大并且配有相对完整的参考代码，因为交错式PFC虽然节约空间但是控制要更加复杂，PFC的控制又必须不能打扰两个电机的控制，只能见缝插针来进行。

　　另外，因为IoT的发展，远程调试的需求也逐渐出现，强大数据处理能力的MCU和灵活多变的针对不同类型马达的自学习算法越来越重要。

　　在新产品方面，过去几年间，Microchip一直提供自带运放的dsPIC数字信号控制器，以提供更好的系统集成和成本。这些运放具有10MHz的增益带宽(GBW)。这一点很重要，因为分流电阻需要尽可能小才能使系统功耗和对电机电压的影响均最小。这样，分流电阻两端电压将比控制器中ADC的工作电压范围小很多。因此需要一个增益放大器来放大信号。然而，这会带来这样的问题，DSC中集成的运放的GBW会被缩小与增益相同的倍率。例如，若运放的GBW为5MHz，需要增益为10，那么最终增益放大器的GBW将为约500kHz。dsPICDSC允许客户实现高增益的增益放大器来测量分流电流，并保持较高的动态响应。

　　飞思卡尔针对电机驱动特性，特别推出了既有DSP核的FreescaleDSC，也有ARM核的电机专用KV系列，还有5V的KE系列，都适合电机控制的应用。

　　此外，飞思卡尔的DSC系列性价比高，内含很多灵活易用的外设模块，适用于要求较高的电机控制应用。KV系列分为M0+和M4两个子系列，后续还将有M7核的系列加入KV系列。外设借鉴了DSC的部分设计，比如两路硬件ADC的速度可以达到4.1Msps，在高速时仍然保证精度。KE系列特点是纯5V和高鲁棒性，比常见的3.3V系统更适合复杂的工业系统中。

　　环保、安全、智能是汽车电子的时尚旋律

　　根据咨询公司Strategy Analytic近期的报告，2014年全球汽车产量预计达到8700万辆，未来五年仍将保持稳定的增速，庞大的产量表明人们的出行已越来越离不开汽车。如何使汽车更环保、更安全、更智能，是汽车行业共同努力的方向。对于普通的民众而言，一辆智能、环保、娱乐功能丰富的汽车似乎越来越接近，特别是车联网的概念出现，让汽车变成了不仅仅局限于一个家庭的交通工具，更像是一个可以行驶的“家”。这些变化的出现都归功于半导体技术的创新。

　　在2015年，汽车电子厂商关注主要点是在智能、环保和安全。如何实现驾乘人员的便利性、保障车内数据以及联网数据的安全性和完整性，并最终实现自动驾驶的最高境界；如何降低二氧化碳排放，需要清洁的内燃机、高效的能源管理和电力驱动系统；如何被动安全向主动安全、可预防安全的方向发展。

　　英飞凌科技(中国)有限公司中国区汽车电子业务负责人徐辉表示：英飞凌未来汽车电子将在以下三个方面注重：

　　智能方面：英飞凌先进的半导体解决方案应用于辅助驾驶的多个领域，包括自动泊车，侧视辅助、变道辅助、自动紧急制动等，通过这些功能的一一实现，从而最终达成自动驾驶的目标。此外，随着车联网的发展，车内电子控制单元之间的通讯，车内与车外内容商、服务商的通讯，都要求保证通讯数据的安全、完整以及隐私。

　　环保方面：电子助力转向系统、胎压监测、48V起停系统方案都能有效地帮助节能减排。同时，英飞凌电机控制系统芯片能使发动机附件实现智能电气化，车内的泵类和电机只需根据需求而运转，从而进一步降低二氧化碳排放。

　　安全方面：随着汽车安全等级要求的不断提升和高级驾驶辅助系统(ADAS)等先进安全技术的发展，汽车安全系统对车用微控制器提出了更高的要求，包括更快的运算速度、更复杂的任务处理。

　　瑞萨电子在汽车电子领域，瑞萨凭借在汽车功能安全解决方案、车辆安全方面长期积累的技术和丰富经验，在全球汽车电子MCU市场拥有43%(2012)的份额，在先进驾驶辅助系统(ADAS)、车载信息、车辆控制相关的动力传动、底盘、安全、车身等领域都拥有世界一流的技术和产品解决方案。瑞萨电子推出的顶级汽车安全芯片RH850/P1X-C系列，属于汽车级安全MCU，将功能安全技术、安全加密技术和汽车控制网络技术整合在一块芯片上，而这些技术是实现安全汽车控制的关键。为驾驶员辅助系统提供一体化解决方案，使无人驾驶成为可能。

　　测试平台的模块化、平台化是大势所趋

　　兼容最新技术、适应最新的测控需求，一直是推动测试测量不断发展的动力。随着科技的发展，我们一部智能手机的运算能力已经和1969年时，把宇航员送上月球的NASA计算机性能相当。这是因为最新的商业现成可用技术(包括总线技术、处理器技术、AD/DA转换器技术、FPGA技术)受到摩尔定律影响，已经在性能上远远超过了几年、十几年之前。

　　科技改变了我们的生活，而测试测量界也因为待测设备不断的复杂化，对缩短上市时间、提高测试效率、缩减长期成本等提出了更高的挑战。所以，测试平台的模块化、平台化已经成为了测试测量一个重要的发展趋势。

　　NI资深工程师陈宇睿：软件定义的模块化平台有其固有的优点，以PXI平台为例：第一，它一直可以融入最新的技术，所以我们看到了PXI平台的处理器已经使用了Intel第三代处理器技术、机箱基于PCIeGen-2技术、系统带宽可以达到12GB/s，而PXI平台上使用的也已经是Xilinx最新的7系列FPGA技术；第二，软件定义的平台可以灵活的完成自定义的功能实现，从而满足一些最前沿的设计验证需求(如5G技术)和非标的高速自动化测试需求(如自定制ATE设备)；第三，当测试需求发生变化的时候，PXI平台可以通过替换模块的方式快速的通过进行升级，从而降低了长期成本。

　　FPGA可以给测试测量带来更高的测试吞吐量、高确定性和可靠性，进行自定义的创新测试，以及缩减测试成本。而早在2003年，NI就看到了这些优势，将FPGA技术引入了PXI平台。在2012年，NI发布了第一款软件设计的仪器矢量信号收发仪(VST)，无论是进行最新的通信网络算法验证，还是进行高速的射频产线测试，我们只需要修改FPGA里面的代码，就可以完成各种不同的射频测试功能。

　　参考文献：

　　[1]李旭东.MCU实现汽车功能安全合规性[J].电子产品世界，2014(3)：43-46

　　[2]董杰，马建辉，王知学，等.一种通用的汽车仪表信号转换器设计[J].电子产品世界，2013(3)：67-68

　　[3]尚壮壮.基于DE2开发板的直流电机控制系统的设计[J].电子产品世界，2013(4)：60-62

　　[4]李健.箭在弦上的4G/LTE测试[J].电子产品世界，2013(5)：11-16

　　[5]马建程.无线低功耗地磁车辆检测传感器的设计[J].电子产品世界，2014(5)：44-49

　　王莹 叶木子《电子产品世界》编辑

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