嵌入式電機驅動SoC的座椅通風應用解析

隨著汽車座艙的智能化發展，其舒適性也越來越受到廣大用戶的關注。為了提升用戶體驗，座艙中使用了越來越多的執行器，以提升座艙的舒適性，座椅通風就是其中一個應用。

“CubeN課堂”系列首站之旅，我們將帶您解鎖嵌入式電機驅動SoC NSUC1610的座椅通風應用及其解決方案。

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動SoC，可以滿足座椅通風的各項要求，提升舒適性和用戶體驗。

座椅通風及FOC控制

座椅通風分為吹風式和吸風式，通風風扇通常隱藏在座椅內，通過座椅上的孔洞實現風量傳送。風扇的性能表現將直接影響座椅的舒適性，因此要求風扇具有低振動、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。

座椅通風的要求

座椅通風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是一種由直流電驅動的永磁同步電動機，可以實時控制最大轉矩輸出，而BDC只能在特定位置才能實現最大轉矩輸出。所以，如果BDC要輸出與BLDC相同的轉矩，就需要更大的磁場。

BLDC擁有良好的可控制性，可實現穩定的轉矩和速度控制，這意味著其振動和聲學噪音更低，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，降低能源消耗和產生的熱量，效率也更高。

BDC和BLDC

為了實現座椅通風風扇BLDC的精確控制，往往采用磁場定向控制（FOC）方式。磁場是由電流產生的，在理想狀態下，BLDC的電流是一個互差120°的三相電流。為了實現簡單的設計，控制器需要經過多重變換。

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

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以最大轉矩輸出和穩定的控制，且擁有高加速度的動態響應。當經過變換的電流與轉子同步時，其轉矩輸出處于最小值；而當定子磁場垂直于轉子時，才會輸出最大轉矩，這是控制器想要達到的理想效果。

在經過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；得到的輸出經逆Park（Inv-Park）變換，得到阿爾法（alpha）和貝塔（beta）靜止坐標系輸出，再經SVPWM（空間矢量脈寬）調制，得到需要輸出的三相電壓，并輸出給三相橋臂，最終實現最大轉矩輸出。

FOC原理

納芯微NSUC1610座椅通風解決方案

納芯微NSUC1610是一款集成了4路半橋驅動器的ARM MCU，其芯片內核是Cortex-M3。該內核采用哈佛結構，采用獨立數據總線和地址總線，以提高傳輸地址信號和數據信號的效率。

作為單芯片車用小電機驅動SoC，NSUC1610支持12V汽車電池直接供電，符合AEC-Q100標準，在汽車領域有廣泛的用途，適用于控制小功率電機，可以驅動BDC、BLDC和步進電機等，有助于客戶減小PCB尺寸，簡化生產設計，實現更高效、更緊湊和高性價比的電機控制設計。

NSUC1610功能框圖

NSUC1610的最高結溫為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。

這款高集成度產品可以用來設計車用小尺寸、小功率、高效率電機智能執行器，例如熱管理系統中的電子水閥、膨脹閥、空調電子出風口、主動進氣格柵系統執行器（AGS/AAF）、座椅通風BLDC驅動、隨燈轉向大燈（AFS）、旋轉/升降大屏控制、自動充電口和自動門把手等。

基于NSUC1610的座椅通風解決方案采用單電阻電流采樣（＜25mR）實現電流重構，內部集成了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實現穩定的控制。

NSUC1610座椅通風風扇解決方案

NSUC1610優化的定點控制算法可以實現在32MHz Cortex-M3上的高效運行，其內部集成的功率管只需部分無源器件即可實現小于20W電機控制系統的設計。

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

參數計算器

NSUC1610座椅通風解決方案具有以下特性：

采用Cortex M3處理器，編譯環境為Keil標準編譯和開發工具，編程器資源通用，開發調試簡單；

集成功率級MOSFET（4個半橋），驅動電流可達1A（Rdson為500mΩ），同時集成了門級驅動和上管驅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：一個位于功率側做過溫關斷，一個位于低壓側做芯片溫度檢測；

內部集成可配置DAC，用來配置比較器閾值，用于過流保護和步進電機微步控制。

解決方案性能演示

納芯微還為NSUC1610座椅通風解決方案開發了demo板，它由LIN控制和座椅通風風扇組成。由上位機發送LIN信息控制電機運行，通過發送信息可使電機達到最高轉速。

演示表明，由于系統有較寬的動態電壓范圍，在將電壓調到8V時，電機能夠平穩運行；設置為15V時，運行也比較平穩。此外，納芯微提供系統級的解決方案，實現可靠的欠壓，過溫檢測；剛性和柔性堵轉檢測；offtime和runtime的線圈開短路檢測等完善的錯誤診斷；并且根據不同錯誤類型進行自恢復或被動恢復操作。

NSUC1610座椅通風解決方案的優勢

穩定的速度控制和高加速度；

寬電壓范圍和欠壓自適應速度；

由LIN（IHR認證）或PWM控制；

寬溫度范圍，環境溫度-40℃～125℃，結溫-40℃～175℃；

采用高慣性可靠的三溫啟動算法。

NSUC1610座椅通風解決方案的功能

完善的故障診斷和自恢復功能；

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電阻器或內部溫度傳感器實現過溫功能；

順逆風檢測。

審核編輯：劉清