【芯智雲城】详解智能电机驱动在汽车中的应用

随着汽车系统中传统的机械化设计被电子化设计逐渐取代，电机在汽车电子化系统中扮演的角色越来越重要。例如在汽车的动力系统中，由传统的燃油发动机逐步发展为现在的有刷同步电机、感应电机，真正的实现了新能源车的动力革命；传统的机械式汽车底盘也逐步发展成智能电子底盘，用来配合自动驾驶功能的实现。此外，车身上还有许多电机用来增加驾乘人员的舒适性和安全性。据不完全统计，以往普通的燃油车上平均的电机数量在20-40个左右，而在新能源汽车上这一数字增长到100-150个，在高端的新能源汽车车型上电机数量会更高，甚至呈现几倍数的增加。伴随着汽车电气化和智能化的迅猛发展，车用电机在未来都会有巨大的增长空间。

汽车上的电机有哪些种类区分，都有哪些特点，每种电机的驱动方式又是如何？本文详细为您解读。

一、汽车中主要的电机类型

汽车上的电机除了大功率的交流电机以外，从几W到几百W的直流电机是其中最主要的角色，在汽车电机中占有很高的比例。直流电机一般分为两相直流有刷电机、三相直流无刷电机以及步进电机。

直流有刷电机采用机械换向原理，通过换向器和电刷的断续接触来形成交流变换的旋转磁场。由于换向器和电刷产生滑动摩擦会对碳刷造成损耗，因此直流有刷电机的寿命相较于直流无刷电机会短很多。此外，直流有刷电机在旋转的时候会产生电火花，且产生的电磁波也会干扰到其他设备。直流有刷电机的优势也很明显，最主要的是控制电路相对简单，利用单通道高边或低边驱动、半桥驱动或者全桥驱动，配合PWM（脉宽调制）调速来实现直流有刷电机的驱动和调速。直流有刷电机有并激、串激和复激等不同的种类，串激式直流有刷电机可以实现比较快速的启动大扭矩，并激式直流有刷电机可以实现较好的速度控制。直流有刷电机主要应用在相对转速比较低、力矩比较大的场景，例如车窗、车门、尾门、电动座椅、锁扣、驻车系统等。

直流无刷电机（BLDC）的工作原理主要是通过电子换向来实现电机的转动。因为直流无刷电机本身没有电刷的存在，它的寿命远高于直流有刷电机，同时由于没有电刷的摩擦阻力，所以它具有更高的转换效率和低噪声的优势，另外无刷电机可以配合编码器实现更加精准的速度和位置环的控制。但是无刷直流电机的内部结构比较复杂，驱动电路和算法也相应的更加复杂，因此成本会高于直流有刷电机。在汽车上，无刷直流电机一般应用转速比较高或者对转速控制要求比较精准的场合，例如EPS、水泵、风扇、空调、雨刮器等。

第三类比较重要的电机类型是步进电机，由于其特性和直流有刷电机比较类似，在低速情况有较大的力矩，并能够通过脉冲数来实现精准的开环角度控制，步进电机一般被看作精度较高的直流有刷电机。在汽车上步进电机主要应用在低转速、高精度的场合，比如出风口扇叶，车灯调节或仪表指针等。

综上所述，一辆汽车上有多种类型的电机用来满足不同场景的需求，直流有刷电机以其较高的性价比以及能够广泛满足大部分应用场景，成为汽车上比较常用的一类电机。

接下来，详细介绍汽车中使用直流电机的主要场景。

二、汽车中使用直流电机的主要场景

在汽车上使用直流电机的场合主要有智能底盘和车身控制两个部分。

智能底盘中的主要部件都是使用直流电机，包括有刷和无刷，使用的电机功率等级不同，所涉及的驱动方式也有所区别。

空气悬架中一般是通过距离传感器检测信号来判断车身高度的变化，再通过有刷电机压缩或拉长空气弹簧，以此来实现汽车底盘的降低和升。空气悬架中使用的直流电机功率一般在20A以上，利用H桥预驱加上分立MOS管的方案来实现对电机的驱动。

由于有刷电机的惯性力矩会随着输出电机功率的增加而增大，其转向操作灵敏度随之变差，因此在电子助力系统（EPS）中使用的电机逐步从直流有刷电机转向无刷电机，以此来解决惯性力矩的问题。电机的额定功率基本在30A以上，达到70A左右，并采用三相无刷预驱配合MOS管来实现电机驱动。

电子驻车取代了传统的机械手刹式系统，目前在汽车上已经非常普遍。在电子驻车系统中一般会有两个直流有刷卡钳电机，电流一般在10A以上，17A居多。一般来说，额定电流在10A以上的MOS管难以封装到芯片中，因此在这种应用中大部分采用预驱外加MOS管的方式。

电子换挡在中高端车型中比较常见，其内置一个换挡电机来配合变速箱的齿轮变速，一般使用10A以内的无刷电机，常见的驱动方式为内置MOS管H桥驱动芯片。
One Box系统中包括一个永磁同步电机和有刷卡钳电机，其中永磁同步电机的电流在40A左右，甚至超过100A。卡钳电机的电流一般在10A左右，采用三相预驱或H桥预驱外加MOS管组成驱动方案来进行电机的驱动。

车身控制也是直流电机的主要应用场景，由于直流有刷电机本身的驱动成本较为便宜，性能可以适应大部分的应用，因此在车身控制中直流有刷电机占比较高。

作为电动座椅的动力源，汽车座椅的电机主要是永磁直流式电机，额定电流一般都在10A以上，由于电动座椅需要配备的电机数量较多，所以一般采用多通道预驱加MOS管的方式来进行驱动。此外，配备通风风扇的电动座椅所需的电机，功率一般在10几W到20几W，通常采用一体式BLDC驱动芯片来驱动。

电动门内部包含门锁、电吸合、车门以及车窗等部分，主要采用直流有刷电机，驱动方式通常为多通道预驱加上MOS管或者内置MOS管的H桥驱动来实现。
电尾门包含左右撑杆、电吸合，同样也是采用直流有刷电机，使用预驱外加MOS管的驱动方式。另外后视镜、充电口、锁扣等场景中采用的小电流电机，因为功率比较小，主要使用内置MOS管的H桥驱动方案。

三、直流有刷电机的驱动方式

电机的驱动方式一直在演变，从过去的继电器到现在带诊断功能、带保护的全集成芯片方案，可以实现更高的安全性且体积更小、灵活度更高。

在传统的继电器驱动方案中，由于采用机械式的触点开关，在开关的时候可能会产生电火花，这也是汽车A类安全事故所要去规避的。其次由于继电器的开启和关断速度是固定的，所以没有办法实现有效快速的开关速度控制。再者，继电器是原边通过电流去驱动开关，一般需要几十毫安的电流，这个是远高于驱动MOS管1mA以内的维持电流。另外，继电器的体积比较大，如果是集中式域控制器方案，空间摆放也是一个问题。最后，继电器的功能比较单一，只是简单的一个开动和关断的功能。电机感性负载容性负载需要做控压和控流，如果采用继电器的方式，外部还需要增加不少的其他芯片，来防止继电器或者负载的损坏。

基于传统继电器的各种问题，其逐渐地被电子驱动方式所取代。电子驱动方式一方面可以实现正反转，速度可调，还带有比较简单的保护功能，例如回路上的过流保护。另外，高边的驱动方式从以前的自举电容演变成现在类似电荷泵的驱动方式，这样面积会更小，也可以做到有效的开通。这种电子驱动方式相较于继电器可以大大减少体积，节省驱动功耗，同时也带有基本的保护功能，使用起来更加灵活。

随着芯片工艺的迭代，可以在单个晶圆上集成更多的功能。随着把内置的MOS管功率越做越大，一般来说可以在一个芯片封装里把上下管的内阻做到100mΩ以内，甚至50mΩ以内，这样最大电流可以做到10A到30A，热阻也可以大大降低。因为在域控制器里，需要将多个驱动集成在一起，所以降低热阻是非常重要的。另外，驱动器集成了更多运放、比较器等，因此驱动器可以带有更多的保护，包括过流、过压、欠压、反过温等等，可以大大减低驱动器本身以及外部负载损坏的机率，使用上更加灵活，通过SPI或I2C等不同配置来驱动除电机之外的感性、容性或存储性的负载。在部分高端的驱动器里，甚至还可以有SPI诊断，把当前出现的故障状态，通过寄存器进行上报，这样可以实现更高的功能安全等级。在一些驱动芯片里甚至还集成CAN 和LIN的总线，直接形成单芯片的集成方案。

四、类比直流有刷驱动芯片产品

类比汽车级电机驱动产品目前有已经量产的单通道驱动DR70x以及正在开发的DR7xx、DR8xx以及DR9xx等产品。DR70x系列产品包含五个型号，半桥、全桥、带SPI诊断以及纯硬件模式，配合外部的MOS管可以实现从几W到几百W的功率驱动。正在开发的多通道直流有刷电机预驱DR718系列主要应用于多电机的场合，同时也更符合域控制发展趋势对集成多通道的单芯片驱动方案的需求。内置MOS管的直流有刷电机预驱DR8xx系列，最大电流可以做到10A，基于较高的集成度，DR8xx系列非常适合50w以内的小电机，并在散热允许的情况下可以大大减少板子的面积。DR9xx系列产品内部带有三路模拟运放来配合低电流采样的闭环控制算法，适合用在EPS/One Box等使用无刷电机的场合。

DR70x直流有刷电机驱动系列产品主要有DR702Q、 DR703Q 和DR704Q三个型号。其中，DR702Q和DR703Q主要区别在于配置接口，DR702Q是硬件配置接口，这意味着DR702Q所有的功能配置都可以通过外围电阻电容元器件进行设定，这使得DR702Q控制简单并且占用MCU资源少。DR703Q则含有SPI接口，用于同MCU通讯。得益于SPI的灵活性，DR703Q不仅可以灵活进行功能配置，还可以读出所有状态寄存器信息。DRV703Q的寄存器提供丰富的过压和过流报警信息，方便系统获得电机工作的实时状态并实现更高的功能安全等级。相较于DR703Q， DR704Q进一步增加了过压保护功能，离线负载检测功能以及电流检测共模点可配等检测功能。

目前DR70x系列产品均为车规级产品，满足AEC-Q100认证，支持5.5V到45V的工作电压，睡眠功耗可以达到3.3μA。另外，DR70x系列产品还支持驱动电流的设置，来满足MOS管的不同的开关速度的需求。DR70x系列产品带有电流检测功能，通过检测电机低边电流，配合堵转、刹车电流的限定。该产品支持丰富的保护功能，包括供电电压的过压、欠压保护、Vgs门级钳位以及对外部MOS的VDS退饱和保护和过温保护等，对芯片本身和外部的MOS管都有综合的保护机制。DR70x的封装为QFN32小型封装，配合不同功率等级的MOS管，可以驱动不同功率等级的电机，因此应用非常广泛，在智能底盘以及车身控制中的车窗、尾门、推拉门等系统中的电机都可以进行驱动。同时，由于具有较高的灵活度，DR70x产品还可以实现高低边驱动功能。

类比汽车级电机驱动产品目前有已经量产的单通道驱动DR70x以及正在开发的DR7xx、DR8xx以及DR9xx等产品。DR70x系列产品包含五个型号，半桥、全桥、带SPI诊断以及纯硬件模式，配合外部的MOS管可以实现从几W到几百W的功率驱动。正在开发的多通道直流有刷电机预驱DR718系列主要应用于多电机的场合，同时也更符合域控制发展趋势对集成多通道的单芯片驱动方案的需求。内置MOS管的直流有刷电机预驱DR8xx系列，最大电流可以做到10A，基于较高的集成度，DR8xx系列非常适合50w以内的小电机，并在散热允许的情况下可以大大减少板子的面积。DR9xx系列产品内部带有三路模拟运放来配合低电流采样的闭环控制算法，适合用在EPS/One Box等使用无刷电机的场合。

DR70x直流有刷电机驱动系列产品主要有DR702Q、 DR703Q 和DR704Q三个型号。其中，DR702Q和DR703Q主要区别在于配置接口，DR702Q是硬件配置接口，这意味着DR702Q所有的功能配置都可以通过外围电阻电容元器件进行设定，这使得DR702Q控制简单并且占用MCU资源少。DR703Q则含有SPI接口，用于同MCU通讯。得益于SPI的灵活性，DR703Q不仅可以灵活进行功能配置，还可以读出所有状态寄存器信息。DRV703Q的寄存器提供丰富的过压和过流报警信息，方便系统获得电机工作的实时状态并实现更高的功能安全等级。相较于DR703Q， DR704Q进一步增加了过压保护功能，离线负载检测功能以及电流检测共模点可配等检测功能。

目前DR70x系列产品均为车规级产品，满足AEC-Q100认证，支持5.5V到45V的工作电压，睡眠功耗可以达到3.3μA。另外，DR70x系列产品还支持驱动电流的设置，来满足MOS管的不同的开关速度的需求。DR70x系列产品带有电流检测功能，通过检测电机低边电流，配合堵转、刹车电流的限定。该产品支持丰富的保护功能，包括供电电压的过压、欠压保护、Vgs门级钳位以及对外部MOS的VDS退饱和保护和过温保护等，对芯片本身和外部的MOS管都有综合的保护机制。DR70x的封装为QFN32小型封装，配合不同功率等级的MOS管，可以驱动不同功率等级的电机，因此应用非常广泛，在智能底盘以及车身控制中的车窗、尾门、推拉门等系统中的电机都可以进行驱动。同时，由于具有较高的灵活度，DR70x产品还可以实现高低边驱动功能。

五、DR703Q产品性能表现

VM Pumping是电机驱动中比较常见的现象，主要发生在电机突然降速或者刹车时，此时VM上的电压会突然升高，有可能烧坏驱动芯片或MOS管。DR703Q采用高耐压MOS管来进行硬件设计，其VM管脚最大直流耐压可以达到55V。实际测试表明，DR703Q的VM瞬态可以耐受500ms,60V的脉冲，并且已经通过ISO 7637-2 24V System pulse 5B测试。

DR704Q产品中带有VM侦测电路，当VM管脚电压超过36V时，芯片会进入闭锁模式、自动复位模式、报警模式以及完全关闭模式四种保护模式中的一种，具体进入哪种模式由客户根据使用需求来自行配置。
电机在启动或堵转时，由于反向电动势约等于零，流过电机绕组的电流非常大，作为驱动需要限制电流来保护电机和相关电路。DR703Q支持电流限流功能，能有效实现启动及堵转等场景下的限流保护。

DR703Q对于外部MOS管的门级驱动电流可以分别独立进行电流设定，支持10mA-280mA八档电流设定。能够帮助用户在更高的驱动效率（最小化开关损耗）和更好的EMI性能间进行平衡，而无需更改硬件设置。
此外，DR703Q支持门级保护、VDS保护功能、米勒钳位功能、离线负载诊断功能等