技術(shù)干貨 | 使用 BLDC 電機(jī)助力機(jī)械掃描激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn) 360 度視場
我們都知道駕駛汽車時看清路面至關(guān)重要。而在實(shí)施自動駕駛等技術(shù)時，對這點(diǎn)要求得更為嚴(yán)格。自動駕駛汽車的“眼睛”被稱為光檢測和測距(激光雷達(dá))技術(shù)，可提供汽車周圍環(huán)境的精確圖像。激光雷達(dá)使用光源和傳感器來檢測物體。
激光雷達(dá)系統(tǒng)的視場 (FOV) 決定了激光雷達(dá)能夠捕捉到的圖像的寬度，因此該視場對于自動駕駛決策算法十分重要。擴(kuò)大 FOV 的方法有很多種，其中之一就是利用機(jī)械掃描，使用電機(jī)幫助實(shí)現(xiàn) 360 度 FOV。無刷直流 (BLDC) 電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，且高效低噪，因此廣受歡迎。
圖 1 展示了激光雷達(dá)模塊，圖 2 展示了配備激光雷達(dá)的自動駕駛汽車。
圖 1：激光雷達(dá)模塊
圖 2：配備激光雷達(dá)的自動駕駛汽車
配備機(jī)械掃描激光雷達(dá)的自動駕駛汽車
典型的激光雷達(dá)模塊由光源和傳感器組成，可實(shí)現(xiàn) 120 度 FOV。遺憾的是 120 度的視場對于自動駕駛環(huán)境來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要實(shí)現(xiàn) 360 度全方位 FOV，需要用一個由置于旋轉(zhuǎn)平臺上的光源和傳感器組成的機(jī)械掃描激光雷達(dá)將汽車周圍的信息傳給汽車的高級駕駛輔助系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)平臺以能讓光源和傳感器實(shí)現(xiàn) 360 度無縫掃描的速度旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確反饋圖像位置。鑒于平臺重量比較輕，可以使用約 40W 的電機(jī)。
BLDC 電機(jī)非常適合這些旋轉(zhuǎn)平臺，并且可以使用霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn) BLDC 電機(jī)換向。圖 3 顯示了機(jī)械掃描激光雷達(dá)的框圖。
圖 3：機(jī)械掃描激光雷達(dá)框圖
如何驅(qū)動 BLDC 電機(jī)
有幾種方法可以驅(qū)動約 40W 的 BLDC 電機(jī)。您可以搭配使用具有梯形換向算法的微控制器 (MCU) 以及集成三相 BLDC 柵極驅(qū)動器和外部金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。如果您的設(shè)計(jì)需要應(yīng)用尺寸較小的電路板和功率較低的電機(jī)，您可以考慮將具有集成 MOSFET 的三相柵極驅(qū)動器(如DRV8316)和具有換向算法的 MCU 以及三個用于位置反饋的霍爾效應(yīng)傳感器搭配使用。DRV8316 集成了高側(cè)和低側(cè)相加導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RDS(on)) 為 95mΩ 的 MOSFET，并提供全面的故障覆蓋范圍，以實(shí)現(xiàn)診斷目的。
也可以使用集成了控制算法的電機(jī)驅(qū)動器(如MCT8316Z)來驅(qū)動 BLDC 電機(jī)，該電機(jī)驅(qū)動器集成了傳感器梯形控制，無需進(jìn)行電機(jī)控制軟件開發(fā)。MCT8316Z 集成了 MOSFET，該 MOSFET 高側(cè)和低側(cè)相加 RDS(on) 與 DRV8316 一樣，也是 95mΩ。外部搭配內(nèi)務(wù)處理型 MCU，可與 MCT8316Z 進(jìn)行通信以設(shè)置配置參數(shù)并提供簡單的旋轉(zhuǎn)命令(如速度和方向)。
MCT8316Z 具有直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器，可為電路板上的內(nèi)務(wù)處理型 MCU 或其他電路提供電流，這種配置有助于為機(jī)械掃描激光雷達(dá)電機(jī)驅(qū)動器節(jié)省布板空間。DRV8316 和 MCT8316Z 的工作電壓均為 4.5V 至 35V，非常適合汽車的 12V 電池應(yīng)用。借助 8A 峰值電機(jī)繞組電流支持，這些驅(qū)動器可以在 24V 電源下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 70W 的電機(jī)功率，足以驅(qū)動激光雷達(dá)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)平臺。
MCT8316Z 提供串行外設(shè)接口 (SPI)，高度可配置，盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能會選擇使用硬件接口選項(xiàng)，而非 SPI 來配置常用設(shè)置。可通過 SPI 讀取的內(nèi)部驅(qū)動器寄存器提供詳細(xì)的故障診斷結(jié)果，萬一旋轉(zhuǎn)平臺中的電機(jī)出現(xiàn)問題，該結(jié)果可提供診斷幫助。圖 4 顯示了 MCT8316Z 的簡化使用示例。
圖 4：MCT8316Z 電機(jī)控制示例
配備機(jī)械掃描激光雷達(dá)的自動駕駛汽車是汽車領(lǐng)域一次令人振奮的進(jìn)展。自動駕駛汽車帶來的便利提高了乘駕體驗(yàn)，讓您渴望擁有這樣一輛汽車去州際公路旅行。
（轉(zhuǎn)載）
