纳芯微：嵌入式电机驱动SoC的座椅通风应用解析

　　纳芯微推出“Cube N课堂”系列，该系列将聚焦纳芯微的嵌入式电机驱动SoC 产品系列，探索其多元应用，与大家共同玩转奇妙的“产品魔方”!

　　纳芯微推出的NSUC1610是一款集成LIN和MOSFET功率级的单芯片车用小电机驱动SoC，可以满足座椅通风的各项要求，提升舒适性和用户体验。

　　座椅通风及FOC控制

　　座椅通风分为吹风式和吸风式，通风风扇通常隐藏在座椅内，通过座椅上的孔洞实现风量传送。风扇的性能表现将直接影响座椅的舒适性，因此要求风扇具有低振动、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。

　　座椅通风常见的电机包括有刷直流电机(BDC)和无刷直流电机(BLDC)两种。BLDC是一种由直流电驱动的永磁同步电动机，可以实时控制最大转矩输出，而BDC只能在特定位置才能实现最大转矩输出。所以，如果BDC要输出与BLDC相同的转矩，就需要更大的磁场。

　　BLDC拥有良好的可控制性，可实现稳定的转矩和速度控制，这意味着其振动和声学噪音更低，且由于没有换向刷，机械摩擦更少，也不会因换向产生电火花，电子噪声更低，寿命也更长。另外，BLDC可以精确控制，降低能源消耗和产生的热量，效率也更高。

　　为了实现座椅通风风扇BLDC的精确控制，往往采用磁场定向控制(FOC)方式。磁场是由电流产生的，在理想状态下，BLDC的电流是一个互差120°的三相电流。为了实现简单的设计，控制器需要经过多重变换。

　　首先通过Clark变换将三相直流电流由静止三相坐标系变换为静止两相坐标系，然后再根据转子的位置经Park变换，将静止两相坐标系变换为同步转子两相旋转坐标系，此时BLDC的三相交流电流也就被变换为同步于转子的直流电流，这样更有利于设计控制器。

　　在BLDC的高性能控制中，我们追求的是在全速度范围内以最大转矩输出和稳定的控制，且拥有高加速度的动态响应。当经过变换的电流与转子同步时，其转矩输出处于最小值;而当定子磁场垂直于转子时，才会输出最大转矩，这是控制器想要达到的理想效果。

　　在经过Clark和Park变换后，通常选择PID(比例-积分-微分)控制器进行电流dq轴电流控制;得到的输出经逆Park(Inv-Park)变换，得到阿尔法(alpha)和贝塔(beta)静止坐标系输出，再经SVPWM(空间矢量脉宽)调制，得到需要输出的三相电压，并输出给三相桥臂，最终实现最大转矩输出。

　　纳芯微NSUC1610座椅通风解决方案

　　纳芯微NSUC1610是一款集成了4路半桥驱动器的ARM MCU，其芯片内核是Cortex-M3。该内核采用哈佛结构，采用独立数据总线和地址总线，以提高传输地址信号和数据信号的效率。

　　作为单芯片车用小电机驱动SoC，NSUC1610支持12V汽车电池直接供电，符合AEC-Q100标准，在汽车领域有广泛的用途，适用于控制小功率电机，可以驱动BDC、BLDC和步进电机等，有助于客户减小PCB尺寸，简化生产设计，实现更高效、更紧凑和高性价比的电机控制设计。

　　NSUC1610的最高结温为175℃，集成了LIN总线物理层、小功率MOSFET阵列和过压保护功能。LIN端口耐压范围为-40V～40V，BVDD引脚电压范围为-0.3V～40V。

　　这款高集成度产品可以用来设计车用小尺寸、小功率、高效率电机智能执行器，例如热管理系统中的电子水阀、膨胀阀、空调电子出风口、主动进气格栅系统执行器(AGS/AAF)、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。

　　基于NSUC1610的座椅通风解决方案采用单电阻电流采样(<25mR)实现电流重构，内部集成了PGA(可编程增益放大器)。BLDC控制器使用反电动势(BEMF)观测器，该观测器对电机的电阻和电感变化不敏感，可通过可靠的观测角度实现更好的观测效果;通过直流母线电压补偿，可在较宽电压范围内实现稳定的控制。

　　NSUC1610优化的定点控制算法可以实现在32MHz Cortex-M3上的高效运行，其内部集成的功率管只需部分无源器件即可实现小于20W电机控制系统的设计。

　　针对FOC控制中的大量控制器，纳芯微提供的参数计算器可快速计算各个控制器的控制参数，减少用户大量的调试时间。

　　NSUC1610座椅通风解决方案具有以下特性：

　　采用Cortex M3处理器，编译环境为Keil标准编译和开发工具，编程器资源通用，开发调试简单;

　　集成功率级MOSFET(4个半桥)，驱动电流可达1A(Rdson为500mΩ)，同时集成了门级驱动和上管驱动所需的电荷泵电源;

　　支持4线制LIN总线，LIN接口满足±40V过压、反压要求，另有支持高压(12V)的GPIO，便于客户使用高压PWM IO直接进行电机控制;

　　满足Grade 0车规要求;

　　芯片可承受40V短时过压;

　　双路温度传感器：一个位于功率侧做过温关断，一个位于低压侧做芯片温度检测;

　　内部集成可配置DAC，用来配置比较器阈值，用于过流保护和步进电机微步控制。

　　解决方案性能演示

　　纳芯微还为NSUC1610座椅通风解决方案开发了demo板，它由LIN控制和座椅通风风扇组成。由上位机发送LIN信息控制电机运行，通过发送信息可使电机达到最高转速。

　　演示表明，由于系统有较宽的动态电压范围，在将电压调到8V时，电机能够平稳运行;设置为15V时，运行也比较平稳。此外，纳芯微提供系统级的解决方案，实现可靠的欠压，过温检测;刚性和柔性堵转检测;offtime和runtime的线圈开短路检测等完善的错误诊断;并且根据不同错误类型进行自恢复或被动恢复操作。

　　NSUC1610座椅通风解决方案的优势

　　稳定的速度控制和高加速度;

　　宽电压范围和欠压自适应速度;

　　由LIN(IHR认证)或PWM控制;

　　宽温度范围，环境温度-40℃～125℃，结温-40℃～175℃;

　　采用高惯性可靠的三温启动算法。

　　NSUC1610座椅通风解决方案的功能

　　完善的故障诊断和自恢复功能;

　　欠压/过压阈值、滤波器定时器和滞后值均为软件配置;

　　可靠的失速检测，包括软失速和硬失速;

　　使用NTC电阻器或内部温度传感器实现过温功能;

　　顺逆风检测。