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Cube N课堂 | 嵌入式电机驱动SoC NSUC1610的座椅通风应用解析

纳芯微电子 2024-03-14 16:12 次阅读

纳芯微推出“Cube N课堂”系列,该系列将聚焦纳芯微的嵌入式电机驱动SoC 产品系列,探索其多元应用,与大家共同玩转奇妙的“产品魔方”!

随着汽车座舱的智能化发展,其舒适性也越来越受到广大用户的关注。为了提升用户体验,座舱中使用了越来越多的执行器,以提升座舱的舒适性,座椅通风就是其中一个应用。“CubeN课堂”系列首站之旅,我们将带您解锁嵌入式电机驱动SoC NSUC1610的座椅通风应用及其解决方案。

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纳芯微推出的NSUC1610是一款集成LIN和MOSFET功率级的单芯片车用小电机驱动SoC,可以满足座椅通风的各项要求,提升舒适性和用户体验。

座椅通风及FOC控制

座椅通风分为吹风式和吸风式,通风风扇通常隐藏在座椅内,通过座椅上的孔洞实现风量传送。风扇的性能表现将直接影响座椅的舒适性,因此要求风扇具有低振动、低噪音、良好的EMC性能,以及可靠的通信方式和可靠的速度控制。

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座椅通风的要求

座椅通风常见的电机包括有刷直流电机(BDC)和无刷直流电机(BLDC)两种。BLDC是一种由直流电驱动的永磁同步电动机,可以实时控制最大转矩输出,而BDC只能在特定位置才能实现最大转矩输出。所以,如果BDC要输出与BLDC相同的转矩,就需要更大的磁场。

BLDC拥有良好的可控制性,可实现稳定的转矩和速度控制,这意味着其振动和声学噪音更低,且由于没有换向刷,机械摩擦更少,也不会因换向产生电火花,电子噪声更低,寿命也更长。另外,BLDC可以精确控制,降低能源消耗和产生的热量,效率也更高。

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BDC和BLDC

为了实现座椅通风风扇BLDC的精确控制,往往采用磁场定向控制(FOC)方式。磁场是由电流产生的,在理想状态下,BLDC的电流是一个互差120°的三相电流。为了实现简单的设计,控制器需要经过多重变换。

首先通过Clark变换将三相直流电流由静止三相坐标系变换为静止两相坐标系,然后再根据转子的位置经Park变换,将静止两相坐标系变换为同步转子两相旋转坐标系,此时BLDC的三相交流电流也就被变换为同步于转子的直流电流,这样更有利于设计控制器。

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FOC原理

在BLDC的高性能控制中,我们追求的是在全速度范围内以最大转矩输出和稳定的控制,且拥有高加速度的动态响应。当经过变换的电流与转子同步时,其转矩输出处于最小值;而当定子磁场垂直于转子时,才会输出最大转矩,这是控制器想要达到的理想效果。

在经过Clark和Park变换后,通常选择PID(比例-积分-微分)控制器进行电流dq轴电流控制;得到的输出经逆Park(Inv-Park)变换,得到阿尔法(alpha)和贝塔(beta)静止坐标系输出,再经SVPWM(空间矢量脉宽)调制,得到需要输出的三相电压,并输出给三相桥臂,最终实现最大转矩输出。

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纳芯微NSUC1610座椅通风解决方案

纳芯微NSUC1610是一款集成了4路半桥驱动器ARM MCU,其芯片内核是Cortex-M3。该内核采用哈佛结构,采用独立数据总线和地址总线,以提高传输地址信号和数据信号的效率。

作为单芯片车用小电机驱动SoC,NSUC1610支持12V汽车电池直接供电,符合AEC-Q100标准,在汽车领域有广泛的用途,适用于控制小功率电机,可以驱动BDC、BLDC和步进电机等,有助于客户减小PCB尺寸,简化生产设计,实现更高效、更紧凑和高性价比的电机控制设计。

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NSUC1610功能框图

NSUC1610的最高结温为175℃,集成了LIN总线物理层、小功率MOSFET阵列和过压保护功能。LIN端口耐压范围为-40V~40V,BVDD引脚电压范围为-0.3V~40V。

这款高集成度产品可以用来设计车用小尺寸、小功率、高效率电机智能执行器,例如热管理系统中的电子水阀、膨胀阀、空调电子出风口、主动进气格栅系统执行器(AGS/AAF)、座椅通风BLDC驱动、随灯转向大灯(AFS)、旋转/升降大屏控制、自动充电口和自动门把手等。

基于NSUC1610的座椅通风解决方案采用单电阻电流采样(<25mR)实现电流重构,内部集成了PGA(可编程增益放大器)。BLDC控制器使用反电动势(BEMF)观测器,该观测器对电机的电阻和电感变化不敏感,可通过可靠的观测角度实现更好的观测效果;通过直流母线电压补偿,可在较宽电压范围内实现稳定的控制。

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NSUC1610座椅通风风扇解决方案

NSUC1610优化的定点控制算法可以实现在32MHz Cortex-M3上的高效运行,其内部集成的功率管只需部分无源器件即可实现小于20W电机控制系统的设计。

针对FOC控制中的大量控制器,纳芯微提供的参数计算器可快速计算各个控制器的控制参数,减少用户大量的调试时间。

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参数计算器

NSUC1610座椅通风解决方案具有以下特性:

采用Cortex M3处理器,编译环境为Keil标准编译和开发工具,编程器资源通用,开发调试简单;

集成功率级MOSFET(4个半桥),驱动电流可达1A(Rdson为500mΩ),同时集成了门级驱动和上管驱动所需的电荷泵电源

支持4线制LIN总线,LIN接口满足±40V过压、反压要求,另有支持高压(12V)的GPIO,便于客户使用高压PWM IO直接进行电机控制;

满足Grade 0车规要求;

芯片可承受40V短时过压;

双路温度传感器:一个位于功率侧做过温关断,一个位于低压侧做芯片温度检测

内部集成可配置DAC,用来配置比较器阈值,用于过流保护和步进电机微步控

解决方案性能演示

纳芯微还为NSUC1610座椅通风解决方案开发了demo板,它由LIN控制和座椅通风风扇组成。由上位机发送LIN信息控制电机运行,通过发送信息可使电机达到最高转速。

演示表明,由于系统有较宽的动态电压范围,在将电压调到8V时,电机能够平稳运行;设置为15V时,运行也比较平稳。此外,纳芯微提供系统级的解决方案,实现可靠的欠压,过温检测;刚性和柔性堵转检测;offtime和runtime的线圈开短路检测等完善的错误诊断;并且根据不同错误类型进行自恢复或被动恢复操作。

NSUC1610座椅通风解决方案的优势

稳定的速度控制和高加速度;

宽电压范围和欠压自适应速度;

由LIN(IHR认证)或PWM控制;

宽温度范围,环境温度-40℃~125℃,结温-40℃~175℃;

采用高惯性可靠的三温启动算法

NSUC1610座椅通风解决方案的功能

完善的故障诊断和自恢复功能;

欠压/过压阈值、滤波器定时器和滞后值均为软件配置;

可靠的失速检测,包括软失速和硬失速;

使用NTC电阻器或内部温度传感器实现过温功能;

顺逆风检测。

审核编辑 黄宇

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