電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)分析：高集成、高實(shí)時(shí)、低功耗、小型化

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是確保電機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基本原理是利用電流通過(guò)電機(jī)的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，與永磁體或其他磁場(chǎng)互相作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

隨著工業(yè)自動(dòng)化、汽車、消費(fèi)電子等終端升級(jí)迭代，這些終端對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求也在發(fā)生著改變。為了滿足這些需求，相關(guān)廠商的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案也在升級(jí)。在這里，我們?yōu)榇蠹姨暨x幾款，一起來(lái)看一看目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片或方案的發(fā)展趨勢(shì)。

高集成、小型化的MPQ6600L-AEC1

目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型化和高集成發(fā)展趨勢(shì)明顯。以MPS公司官網(wǎng)的新品MPQ6600L-AEC1為例，這是一款具有電流調(diào)節(jié)和內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

MPQ6600L-AEC1具有高集成和小型化的優(yōu)勢(shì)，內(nèi)部集成兩個(gè)內(nèi)部全橋驅(qū)動(dòng)器，采用側(cè)面鍍錫的QFN-24 (4mmx4mm) 封裝，并符合AEC-Q100認(rèn)證。同時(shí)，該器件提供內(nèi)部電流采樣功能，因此無(wú)需外部采樣電阻，能夠進(jìn)一步降低整體方案的體積和BOM成本，是一種節(jié)省空間且性價(jià)比高的雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案。

MPQ6600L-AEC1工作電壓高達(dá)35V，在一定的PCB設(shè)計(jì)和散熱條件下可以提供高達(dá)1.5A的電機(jī)電流，支持從整步到八分之一步的步進(jìn)模式。MPQ6600L-AEC1提供自動(dòng)電流衰減功能，允許電機(jī)在完成一次步進(jìn)或動(dòng)作后自動(dòng)調(diào)整電流的衰減模式，以提高電機(jī)工作的效率和性能。該器件具有出色的保護(hù)功能，包括過(guò)流保護(hù) (OCP)、輸入過(guò)壓保護(hù) (OVP)、欠壓鎖定 (UVLO) 保護(hù)和過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)。

超緊湊型電機(jī)控制EVLDRIVE101-HPD

目前，各大廠商對(duì)于集成化的理解并不一致，用于不同電機(jī)類型的驅(qū)動(dòng)方案集成度也不一樣，因此用戶的可選擇項(xiàng)是豐富多樣。就以電機(jī)驅(qū)動(dòng)MCU來(lái)說(shuō)，剛剛介紹的MPQ6600L-AEC1主要集成兩個(gè)內(nèi)部全橋驅(qū)動(dòng)器。ST公司的STSPIN32F060x是面向BLDC應(yīng)用的，用于驅(qū)動(dòng)三相應(yīng)用，這款器件則是集成了一個(gè)600 V三半橋柵極驅(qū)動(dòng)器和自舉二極管，幫助設(shè)計(jì)人員減少PCB面積和整體物料成本。

當(dāng)然，本小節(jié)我們要介紹的是另一種產(chǎn)品形態(tài)，也就是ST公司的EVLDRIVE101-HPD圓形超緊湊型電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)。EVLDRIVE101-HPD是一款用于無(wú)刷電機(jī)的三相超緊湊型逆變器，基于STDRIVE101器件和STM32G071KB微控制器打造。它可用于各種各樣的驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)合使用，包括FOC和梯形控制、有傳感器和無(wú)傳感器。

在這個(gè)方案里，STDRIVE101是三半橋式柵極驅(qū)動(dòng)器，STM32G071KB則是一款基于Arm Cortex-M0+打造的MCU，具有36 KB SRAM和128 KB Flash。EVLDRIVE101-HPD內(nèi)嵌有快速通電電路，可連接/斷開電池，外部開/關(guān)觸發(fā)器可以提供超低的待機(jī)功耗，從而極大地延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間。由于高集成度，這款開發(fā)板可以讓相關(guān)方案在直徑為50 mm的緊湊圓形布局中完成。

同時(shí)，STDRIVE101也能夠提供穩(wěn)定性和安全性的保障，開發(fā)板上支持可調(diào)參考電壓的BEMF檢測(cè)電路和電流限制器，支持總線和溫度感應(yīng)，并提供熱關(guān)斷、UVLO、過(guò)電流保護(hù)和功率級(jí)輸出反向偏置，以及借助VDS監(jiān)測(cè)提供可靠的冗余過(guò)電流保護(hù)等保護(hù)功能。

由于STDRIVE101開發(fā)板上提供了SWD接口，因此支持調(diào)試和編程功能，還可以直接進(jìn)行固件更新。

高效和高能效并存的APM32F035

除了小型化和高集成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的低功耗趨勢(shì)也非常明顯，上述兩款旗艦都提到了這一點(diǎn)，接下來(lái)我們看一個(gè)兼具高效和高能效的電機(jī)控制專用MCU，來(lái)自極海半導(dǎo)體的APM32F035。

APM32F035基于32位Arm Cortex-M0+內(nèi)核打造，最高72MHz工作頻率，支持單周期32位硬件乘法器。為了能夠提供優(yōu)異的高效運(yùn)算性能，APM32F035內(nèi)置M0CP協(xié)處理器，其硬件包括：移位單元、32bit/32bit除法器、可選帶飽和的乘加運(yùn)算、開方（寄存器形式）、三角函數(shù)、SVPWM（移相功能由軟件實(shí)現(xiàn)）。

APM32F035也提供豐富的外設(shè)接口資源，最多有42個(gè)I/O，所有I/O都可以映射到外部中斷向量，最多有39個(gè)I/O引腳可兼容5V輸入。該器件還集成了1個(gè)7通道的DMA控制器；1個(gè)12位ADC，支持可編程轉(zhuǎn)換分辨率、提高轉(zhuǎn)換速率，最多支持16個(gè)外部通道；2個(gè)可編程模擬比較器；以及4個(gè)通用運(yùn)算放大器等。

為了實(shí)現(xiàn)器件的低功耗，APM32F035專門提供了低功耗模式，支持睡眠、停機(jī)、待機(jī)三種模式。

目前，極海半導(dǎo)體也在積極優(yōu)化產(chǎn)品的性能和性價(jià)比。比如，該公司最新推出的APM32M3514，I/O數(shù)量和ADC外設(shè)接口等資源少于APM32F035，但APM32M3514集成了驅(qū)動(dòng)，一個(gè)6N 200V Gate Driver。

靈活、低延遲的AM2434

當(dāng)然，電機(jī)驅(qū)動(dòng)不僅要優(yōu)化能效、性價(jià)比和性能等特征指標(biāo)，也需要對(duì)工業(yè)企業(yè)看重的實(shí)時(shí)性和廣連接等能力做出回應(yīng)，來(lái)自TI公司的AM2434就是一個(gè)很好的例子。

AM2434是Sitara高性能微控制器新增的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品系列，通過(guò)多達(dá)四個(gè)Cortex-R5F MCU、一個(gè)Cortex-M4F 和兩個(gè)Sitara支持TSN的千兆位PRU_ICSSG實(shí)例提供可擴(kuò)展的性能。其中Cortex-R5F內(nèi)核為這款器件帶來(lái)了出色的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)，再加上緊耦合存儲(chǔ)器 (TCM) 組、可配置的SRAM分區(qū)和與外設(shè)之間的專用低延遲路徑，AM2434能夠允許數(shù)據(jù)快速進(jìn)出這塊SoC。

該SoC提供靈活的工業(yè)通信能力，包括用于EtherCAT目標(biāo)、PROFINET器件、EtherNet/IP適配器和IO-Link控制器的完整協(xié)議棧。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性，器件內(nèi)還提供數(shù)據(jù)移動(dòng)子系統(tǒng) (DMSS）和時(shí)間同步子系統(tǒng)，其中DMSS系統(tǒng)包括塊復(fù)制 DMA (BCDMA)、數(shù)據(jù)包 DMA (PKTDMA)、安全代理 (SEC_PROXY）和環(huán)形加速器 (RINGACC)。

AM2434也提供出色的安全保護(hù)和功能安全特征。該器件支持安全啟動(dòng)，提供硬件強(qiáng)制信任根 (RoT)、通過(guò)備用密鑰轉(zhuǎn)換RoT、接管保護(hù)、IP保護(hù)和防回滾保護(hù)等安全保護(hù)功能；提供加密內(nèi)核，包括AES–128/192/256位密鑰大小，3DES–56/112/168位密鑰大小，以及MD5、SHA1等；還可以通過(guò)DMA支持調(diào)試安全性。這款器件也是專為功能安全應(yīng)用開發(fā)，支持各種功能安全功能。

在應(yīng)用方面，AM2434不僅可用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還可用于遠(yuǎn)程I/O模塊等應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，模塊化、數(shù)字化、集成化、高效能化已經(jīng)成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)，這些趨勢(shì)旨在提高電機(jī)的效率、功率密度和可靠性，同時(shí)降低制造成本。我們上述提到的器件基本對(duì)這些趨勢(shì)都有所體現(xiàn)。

那么，隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展，后續(xù)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還有一些趨勢(shì)是非常明顯的。包括高效永磁化和智能化等。其中，智能化的實(shí)現(xiàn)和芯片是息息相關(guān)的，可以幫助驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制技術(shù)、智能診斷技術(shù)等先進(jìn)功能，從而有效提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率、可靠性和穩(wěn)定性。