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1、集成 EEPROM 的三相半桥预驱动器及其在 EPS 中的应用张火文 关键词：EPS(Electric Power Steering) 三相半桥预驱动器 MLX832031. 简介随着电子技术在汽车上的快速发展和广泛应用，尤其是近几年各种排放性 能、燃油经济性和安全性能等法规的强制性要求，极大推动了电子技术在汽车 领域的推广使用，使汽车电子化程度不断提高，性能不断加强。EPS(Electric Power Steering),电动助力转向系统是汽车转向系统的发展 方向。该系统由电机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动 力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮等装置，
2、具有质 量轻、调整简单、安装方便以及环保节能等特点。一般来说，EPS 系统由扭矩传感器，车速传感器，减速机构，电子控制模 块以及电机等组成，如图 1 所示。电子控制单元根据转向传感装置和车速传感 器的输入信号，确定转向助力的大小和方向，并驱动电机辅助转向操作。图 1: EPS 系统结构图本文主要讨论 EPS 系统中的电机控制系统，以及该系统中预驱动芯片的特 性和应用。第二部分介绍 EPS 电机控制系统，第三部分介绍 Melexis 三相半桥 预驱动芯片 MLX83203 的特性及其在 EPS 系统中的应用，第四部分为结论。2. EPS 电机控制系统EPS 电机控制系统由电源控制模块，电子控制单
3、元(ECU)，桥式预驱动器， MOSFETs 功率桥，以及电机等组成。电机是 EPS 系统的执行单元，根据所采用电机类型的不同，EPS 系统可分 为直流电机电动助力转向系统和无刷直流电机(BLDC)/永磁同步电机(PMSM)电动 助力转向系统。EPS 系统要求电机根据转向扭矩及车速情况来调节电机电流和 正反向转动，并且采用“按需供能(power on-demand)”控制，因此，一般采用 脉冲宽度调制(PWM)控制，DC 和 BLDC 电机功率桥如图 2 所示。a) DC 电机功率桥b) BLDC 电机功率桥 图 2：EPS 电机驱动功率桥由于 BLDC/PMSM 具有效率高，寿命长，可靠性高
4、等优点，BLDC/PMSM 正不 断取代直流有刷电机成为未来的发展方向。BLDC/PMSM EPS 控制系统的结构图 如图 3 所示。图 3：直流无刷电机 EPS 系统结构图在无刷直流电机 EPS 控制系统中，ECU 完成各种接口信号的处理，控制算 法的实现，故障诊断与系统保护。ECU 工作于低电压域，MOSFET 功率桥工作于高电压域，而预驱动器作为两者之间的连接，主要完成电平转换，信号分配以 及诊断反馈功能，同时越来越多的预驱动器集成了高速(电流)放大器，对电机 电流进行采样反馈，实现电机电流的闭环控制，同时提供过流保护功能。由于 EPS 系统特性及其控制算法的特殊性，对预驱动器功能和性能
5、提出了 较高的要求：1) 实现 FOC 算法控制，可接受 6 路 PWM 输入，对功率桥的每个 MOSFET 实现高 精度 PWM 控制； 2) 由于 EPS 电机一般具有较大的工作电流，因此 MOS 管栅极预驱动器必须具有 较大的驱动能力；同时，为了避免上下桥臂 MOS 管瞬间同时导通，引入“死 区”控制； 3) 采用单个采样电阻对电机电流进行快速采样反馈，实现电机电流闭环控制及 过流保护； 4) 实现系统安全与故障诊断反馈。3. MLX83203 芯片特性及其在 EPS 中的应用Melexis 预驱动芯片 MLX83203 是采用 0.35um 高压 CMOS 工艺，集成了 EEPROM，
6、可驱动大电流 NMOS 的三相半桥预驱动器。同时，芯片集成了高速、低 噪声的放大器，以及丰富的安全与故障诊断功能。MLX83203 主要应用于需要扭 矩/矢量/正弦波控制的大功率系统中。MLX83203 用于 EPS 的电路设计如图 4 所 示。图 4：MLX83203 用于 EPS 的电路设计MLX83203 可接受 6 个或 3 个 PWM 输入，驱动 6 个 400nC 的 MOS 管，电机 PWM 频率可达 25KHz。芯片内部集成两个电荷泵，在电源电压降至 7V 的时候仍 然可以保证栅源电压达到 10V，同时可实现电机 PWM 占空比 100%的驱动。MLX83203 内部集成了一个
7、高速、低噪声的放大器，可实现电机电流的快速 采样、放大和反馈。MLX83203 内部放大器的单位增益带宽可达 10MHz，建立时 间1us，输入失调电压 +/-0.5V，温度漂移为+/-10uV/C。另外，该放大器具 有可编程增益，其增益可选:8/12/16/24/32/48，可满足不同电流范围的应用。4.5V-28V 的工作电压，以及-40-150的温度范围使得 MLX83203 完全符合 EPS 的应用要求。同时芯片采用 5x5mm QFN 封装，并且内部集成了 6 个字节 EEPROM，提供灵活的配置功能，大大减少了外部配置元件的使用。可以在 EEPROM 实现配置的芯片参数包括，“死区
8、”时间，放大器增益，VDS 比较器的 阈值，硬件过压/欠压保护，电荷泵工作模式，芯片与 ECU 的通信速率等。MLX83203 通过芯片的串行通信接口 ICOM 与 ECU 实现通信，反馈芯片和系 统的安全故障信息。ICOM 可工作在锁定模式和非锁定模式，非锁定模式下，任何故障发生都会 触发芯片将 ICOM 拉低，并且在故障存在的情况下，ICOM 一直保持在低的状态， 适合简单的 ECU 控制模式。在锁定模式下，MLX83203 与 ECU 通过 PWM 进行通信，ECU 与 MLX83203 的连 接及其通信模式如图 5 所示。图 5：MLX83203 与 ECU 的串行通信在锁定模式下，芯
9、片可选择快速通信模式(100KHz)或者慢速通信模式 (12.5KHz)。MLX83203 通过不同的 PWM 占空比发送故障信息，ECU 通过将 ICOM 拉低应答 MLX83203。MLX83203 每次只发送一个故障信息，当多个故障同时发生 时，不同的故障具有不同的优先级，MLX83203 先发送优先级最高的故障信息， 收到应答信号后发送下一个优先级较高的故障。不同故障的 PWM 占空比定义如 表 1 所示。表 1：MLX83203 故障信息定义名称名称故障描述故障描述占空比(%)VDS_OVVDS 过压10 VREG_OVVREG 过压15 VBOOST_UVVBOOST 欠压20 V
10、GS_UVVGS 欠压25 VREG_UV30 OT过温35 VSUP_UVVSUP 欠压40 VSUP_OVVSUP 过压45 VDD_UVVDD 欠压50 EE_DEDEEPROM 错误554. 小结本文介绍了三相 BLDC/PMSM EPS 系统中的电机控制系统，分析了 EPS 电机 控制系统对三相半桥预驱动器的要求。同时，介绍了 MLX83203 的芯片特性及其 在 EPS 中的应用。MLX83203 由于集成了 EEPROM，为芯片提供了灵活的配置功能， 有效地减少外部元件，同时 MLX83203 采用 5x5mm QFN 带有裸露焊盘的封装，大 大简化 PCB 的设计，并可有效降低芯片的温升，适合 EPS 电机控制系统的应用。
