Cube N課堂 | 嵌入式電機驅(qū)動SoC NSUC1610的座椅通風(fēng)應(yīng)用解析

納芯微推出“Cube N課堂”系列，該系列將聚焦納芯微的嵌入式電機驅(qū)動SoC 產(chǎn)品系列，探索其多元應(yīng)用，與大家共同玩轉(zhuǎn)奇妙的“產(chǎn)品魔方”！

隨著汽車座艙的智能化發(fā)展，其舒適性也越來越受到廣大用戶的關(guān)注。為了提升用戶體驗，座艙中使用了越來越多的執(zhí)行器，以提升座艙的舒適性，座椅通風(fēng)就是其中一個應(yīng)用?！癈ubeN課堂”系列首站之旅，我們將帶您解鎖嵌入式電機驅(qū)動SoC NSUC1610的座椅通風(fēng)應(yīng)用及其解決方案。

納芯微推出的NSUC1610是一款集成LIN和MOSFET功率級的單芯片車用小電機驅(qū)動SoC，可以滿足座椅通風(fēng)的各項要求，提升舒適性和用戶體驗。

座椅通風(fēng)及FOC控制

座椅通風(fēng)分為吹風(fēng)式和吸風(fēng)式，通風(fēng)風(fēng)扇通常隱藏在座椅內(nèi)，通過座椅上的孔洞實現(xiàn)風(fēng)量傳送。風(fēng)扇的性能表現(xiàn)將直接影響座椅的舒適性，因此要求風(fēng)扇具有低振動、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。

座椅通風(fēng)的要求

座椅通風(fēng)常見的電機包括有刷直流電機（BDC）和無刷直流電機（BLDC）兩種。BLDC是一種由直流電驅(qū)動的永磁同步電動機，可以實時控制最大轉(zhuǎn)矩輸出，而BDC只能在特定位置才能實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出。所以，如果BDC要輸出與BLDC相同的轉(zhuǎn)矩，就需要更大的磁場。

BLDC擁有良好的可控制性，可實現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩和速度控制，這意味著其振動和聲學(xué)噪音更低，且由于沒有換向刷，機械摩擦更少，也不會因換向產(chǎn)生電火花，電子噪聲更低，壽命也更長。另外，BLDC可以精確控制，降低能源消耗和產(chǎn)生的熱量，效率也更高。

BDC和BLDC

為了實現(xiàn)座椅通風(fēng)風(fēng)扇BLDC的精確控制，往往采用磁場定向控制（FOC）方式。磁場是由電流產(chǎn)生的，在理想狀態(tài)下，BLDC的電流是一個互差120°的三相電流。為了實現(xiàn)簡單的設(shè)計，控制器需要經(jīng)過多重變換。

首先通過Clark變換將三相直流電流由靜止三相坐標(biāo)系變換為靜止兩相坐標(biāo)系，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置經(jīng)Park變換，將靜止兩相坐標(biāo)系變換為同步轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，此時BLDC的三相交流電流也就被變換為同步于轉(zhuǎn)子的直流電流，這樣更有利于設(shè)計控制器。

FOC原理

在BLDC的高性能控制中，我們追求的是在全速度范圍內(nèi)以最大轉(zhuǎn)矩輸出和穩(wěn)定的控制，且擁有高加速度的動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)經(jīng)過變換的電流與轉(zhuǎn)子同步時，其轉(zhuǎn)矩輸出處于最小值；而當(dāng)定子磁場垂直于轉(zhuǎn)子時，才會輸出最大轉(zhuǎn)矩，這是控制器想要達到的理想效果。

在經(jīng)過Clark和Park變換后，通常選擇PID（比例-積分-微分）控制器進行電流dq軸電流控制；得到的輸出經(jīng)逆Park（Inv-Park）變換，得到阿爾法（alpha）和貝塔（beta）靜止坐標(biāo)系輸出，再經(jīng)SVPWM（空間矢量脈寬）調(diào)制，得到需要輸出的三相電壓，并輸出給三相橋臂，最終實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出。

納芯微NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案

納芯微NSUC1610是一款集成了4路半橋驅(qū)動器的ARM MCU，其芯片內(nèi)核是Cortex-M3。該內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu)，采用獨立數(shù)據(jù)總線和地址總線，以提高傳輸?shù)刂?a target="_blank">信號和數(shù)據(jù)信號的效率。

作為單芯片車用小電機驅(qū)動SoC，NSUC1610支持12V汽車電池直接供電，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，在汽車領(lǐng)域有廣泛的用途，適用于控制小功率電機，可以驅(qū)動BDC、BLDC和步進電機等，有助于客戶減小PCB尺寸，簡化生產(chǎn)設(shè)計，實現(xiàn)更高效、更緊湊和高性價比的電機控制設(shè)計。

NSUC1610功能框圖

NSUC1610的最高結(jié)溫為175℃，集成了LIN總線物理層、小功率MOSFET陣列和過壓保護功能。LIN端口耐壓范圍為-40V～40V，BVDD引腳電壓范圍為-0.3V～40V。

這款高集成度產(chǎn)品可以用來設(shè)計車用小尺寸、小功率、高效率電機智能執(zhí)行器，例如熱管理系統(tǒng)中的電子水閥、膨脹閥、空調(diào)電子出風(fēng)口、主動進氣格柵系統(tǒng)執(zhí)行器（AGS/AAF）、座椅通風(fēng)BLDC驅(qū)動、隨燈轉(zhuǎn)向大燈（AFS）、旋轉(zhuǎn)/升降大屏控制、自動充電口和自動門把手等。

基于NSUC1610的座椅通風(fēng)解決方案采用單電阻電流采樣（＜25mR）實現(xiàn)電流重構(gòu)，內(nèi)部集成了PGA（可編程增益放大器）。BLDC控制器使用反電動勢（BEMF）觀測器，該觀測器對電機的電阻和電感變化不敏感，可通過可靠的觀測角度實現(xiàn)更好的觀測效果；通過直流母線電壓補償，可在較寬電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。

NSUC1610座椅通風(fēng)風(fēng)扇解決方案

NSUC1610優(yōu)化的定點控制算法可以實現(xiàn)在32MHz Cortex-M3上的高效運行，其內(nèi)部集成的功率管只需部分無源器件即可實現(xiàn)小于20W電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。

針對FOC控制中的大量控制器，納芯微提供的參數(shù)計算器可快速計算各個控制器的控制參數(shù)，減少用戶大量的調(diào)試時間。

參數(shù)計算器

NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案具有以下特性：

采用Cortex M3處理器，編譯環(huán)境為Keil標(biāo)準(zhǔn)編譯和開發(fā)工具，編程器資源通用，開發(fā)調(diào)試簡單；

集成功率級MOSFET（4個半橋），驅(qū)動電流可達1A（Rdson為500mΩ），同時集成了門級驅(qū)動和上管驅(qū)動所需的電荷泵電源；

支持4線制LIN總線，LIN接口滿足±40V過壓、反壓要求，另有支持高壓（12V）的GPIO，便于客戶使用高壓PWM IO直接進行電機控制；

滿足Grade 0車規(guī)要求；

芯片可承受40V短時過壓；

雙路溫度傳感器：一個位于功率側(cè)做過溫關(guān)斷，一個位于低壓側(cè)做芯片溫度檢測；

內(nèi)部集成可配置DAC，用來配置比較器閾值，用于過流保護和步進電機微步控

解決方案性能演示

納芯微還為NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案開發(fā)了demo板，它由LIN控制和座椅通風(fēng)風(fēng)扇組成。由上位機發(fā)送LIN信息控制電機運行，通過發(fā)送信息可使電機達到最高轉(zhuǎn)速。

演示表明，由于系統(tǒng)有較寬的動態(tài)電壓范圍，在將電壓調(diào)到8V時，電機能夠平穩(wěn)運行；設(shè)置為15V時，運行也比較平穩(wěn)。此外，納芯微提供系統(tǒng)級的解決方案，實現(xiàn)可靠的欠壓，過溫檢測；剛性和柔性堵轉(zhuǎn)檢測；offtime和runtime的線圈開短路檢測等完善的錯誤診斷；并且根據(jù)不同錯誤類型進行自恢復(fù)或被動恢復(fù)操作。

NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案的優(yōu)勢

穩(wěn)定的速度控制和高加速度；

寬電壓范圍和欠壓自適應(yīng)速度；

由LIN（IHR認(rèn)證）或PWM控制；

寬溫度范圍，環(huán)境溫度-40℃～125℃，結(jié)溫-40℃～175℃；

采用高慣性可靠的三溫啟動算法。

NSUC1610座椅通風(fēng)解決方案的功能

完善的故障診斷和自恢復(fù)功能；

欠壓/過壓閾值、濾波器定時器和滯后值均為軟件配置；

可靠的失速檢測，包括軟失速和硬失速；

使用NTC電阻器或內(nèi)部溫度傳感器實現(xiàn)過溫功能；

順逆風(fēng)檢測。

審核編輯 黃宇