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嵌入式电机驱动SoC的BLDC主动进气格栅系统方案解析

纳芯微电子 来源:纳芯微电子 作者:纳芯微电子 2024-04-08 14:30 次阅读

本期内容将基于嵌入式电机驱动SoC NSUC1610的无刷直流电机(BLDC)主动进气格栅系统(AGS)方案向大家分享,并进行AGS demo动态演示,以展示NSUC1610在AGS应用中的自学习模式、往复摆动模式、速度控制和位置控制等功能。

新能源汽车热管理系统是汽车中的一个关键系统,主要负责汽车的热量管理和散热控制。在新能源车热管理系统中,往往需要使用至少两个水泵和三个阀门,同时,这些应用场景对体积要求非常严苛,因此,纳芯微推出了专用小型电机驱动芯片,内部集成车载高压LDO、LIN PHY、Gate Driver、MOSFET以及MCU的完整解决方案,可以帮助客户实现安全可靠的车载电机控制

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AGS应用及技术要求

在传统燃油汽车中,主动进气格栅系统(AGS)的主要作用是降低碳排放和提高燃油效率。调节AGS风门可以使气流按照所需的方式输送,从而提升车辆的空气动力学特性。

AGS应用的核心是BLDC的无感控制及位置控制。BLDC利用电子换向取代有刷直流电机的机械换向,因此具有使用寿命长、效率高、功率密度高等特点。

在冷启动阶段,关闭风门可以加速引擎预热。除了燃油车及混合动力车,在纯电车中,AGS也可以为整车热管理系统提供充分的灵活性。所以,AGS应用不仅适合传统燃油汽车,也适用于新能源汽车。

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AGS的作用

在设计方面,目前大部分AGS都是使用BLDC电机,采用六步方波无感控制方式。通常,电机供电为9~16V,正常工作电流在200mA左右,堵转电流在700mA左右;通信一般采用LIN;最大力矩大约在2n·m,位置控制精度在±1°即可;工作温度范围通常为-40~105℃;EMC要求为Class4或5,并支持用于冬季破冰的Burst(突发)模式,且最好能够支持UDS Bootloader的OTA。

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AGS应用的主要指标

基于NSUC1610的AGS方案提升汽车能效与灵活性

纳芯微NSUC1610是一款集成LIN总线物理层和小功率MOSFET阵列的单芯片车用小电机驱动系统级芯片(SoC)。该芯片支持12V汽车电池供电,能承受40V短时过压,可用来直接控制小型有刷直流电机(BDC)、BLDC和步进电机。使用NSUC1610有助于客户减小PCB尺寸,简化生产设计流程,实现高效、紧凑且高性价比的电机控制应用设计。

NSUC1610的优势包括高集成度易于开发调试支持高电压供电集成功率级MOSFET可配置DAC等。DAC用来配置比较器阈值,用于过流保护和步进电机的微步控制。

为了匹配AGS应用,NSUC1610采用ARM Cortex-M3内核处理器,主频为32MHz,64KB Flash非常适合OTA;开发环境采用KEIL的IDE;开发工具支持通用的JLINK和DAP-LINK,开发调试简单。该器件有4个半桥,内置MOSFET(驱动电流达1.4A)和电源、LIN PHY,以及门级驱动和上管驱动所需的电荷泵电源;器件采用QFN32 5×5封装。

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NSUC1610功能框图

作为一款汽车芯片,NSUC1610具备非常好的安全性,Flash和EEPROM都有ECC功能;同时具备两个看门狗,一个是独立看门狗,另一个是窗口看门狗。另外,芯片还具有非常丰富的保护功能,包括硬件过热保护、过压和欠压保护。每个MOSFET也都有1.8A的硬件过流保护。NSUC1610的双路温度传感器一个位于功率侧做过温热关断,另一个位于低压侧做芯片温度检测。此外,NSUC1610支持高压(12V)的PWMIO,便于客户使用高压PWMIO直接控制外面的ECU。

总之,NSUC1610是按照AEC-Q100 Grade 0要求设计的产品,晶圆结温高达175℃;器件结构紧凑,外围电路非常简洁,非常适合AGS应用。除了AGS,NSUC1610也适合BDC和步进电机,且支持车用小型FOC(磁场定向控制)电机应用。

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NSUC1610 AGS解决方案

从基于无感BLDC的系统框图可以看出,除了NSUC1610以外,其他都是一些阻容元件,电路非常简洁。基于NSUC1610的AGS方案采用的是无感六步方波,由于过流点为1.8A,因此可以很好地支持Burst破冰模式。

该方案还支持高速运行,在600传动比下的转速高达5RPM;丰富的保护功能可确保器件在严苛的电磁环境下可靠运行;采用的算法支持快速可靠启动,同时具备角度自学习功能,并支持往复摆动运动模式、LIN通信及LIN UDS bootloader,还支持通过修改MOSFET压摆率及LIN PHY压摆率来优化EMC性能。

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无传感器BLDC简图

纳芯微AGS方案基于自研的NovoStart堵转检测技术,解决了AGS应用的两个难点问题:可靠的启动和可信赖的堵转检测。

在启动部分,该方案采用NovoStart方法,利用内部BEMFC(反电动势)比较器和创新的启动节拍,可以实现不同负载下的可靠启动。在堵转检测部分,该方案采用换向周期合理性检查及电流积分方法,可以非常可靠且及时地识别出堵转故障。这两个特点对于AGS应用非常重要。

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AGS应用的难点和解决方案

除了AGS应用,这款高集成度产品还可以用来设计车用小尺寸、小功率、高效率电机智能执行器应用,例如热管理系统中的电子水阀、空调电子出风口、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等。

用极简电路获得全面保护

纳芯微集成LIN和MOSFET功率级的单芯片车用小电机驱动SoC NSUC1610以极简的外围电路和极小的尺寸,为AGS应用提供了全面的保护,同时有助于提升汽车能效与设计灵活性。

此外,器件采用32MHz主频、Cortex-M3内核,加上带ECC的64K Flash,非常适合OTA应用。创新的NovoStart启动方法和可靠的堵转检测策略,扫清了AGS应用中的两大难点。因此,NSUC1610是AGS应用的理想选择。


审核编辑:刘清

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原文标题:Cube N课堂 | 嵌入式电机驱动SoC的BLDC主动进气格栅系统方案解析

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