【E/ETec2023】纳芯微叶健：EE架构对智能执行器带来的挑战

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在NE时代（NE Times）主办的2023新一代智能汽车电子电气架构（EE）技术大会上，纳芯微电子产品线总监叶健分享了“整车电子电气架构中的智能执行器技术趋势讨论”的主题演讲。他表示，新能源汽车的整车EE电气架构正在向域控发展，而智能执行器已成为实现电机智能化控制的利器。

EE架构走向域控使电子执行器大增

在电子电气架构的技术变革中，整车中的ECU功能被重新分配和整合到域控制器或中央控制器中，比如VCU和BMS以及电机控制器等被整合成动力域控制器；车身控制被上移至车身域控制器，泊车控制器和行车控制器整合成智驾控制器等，这样就可以在实现大多数执行器操作的同时省去传统的ECU。

整车架构从原来的ECU架构变成功能性域控到区域融合架构，也大大增加了新一代智能汽车电子执行器的数量。例如，新能源汽车上的旋转大屏、新一代汽车采用的隐藏式风门、智能车门把手、充电口智能保护盖、主动进气栅格（AGS）、座椅通风等，这些应用越来越多地用到了电子执行器。

执行器存在的问题

以现在比较流行的隐藏式出风口为例，叶健提出了几个问题，第一个，针对智能执行器控制方式，是将它放在域控中，用大算力处理器进行控制，还是采用分布式控制解决方案？不同的公司有不同的做法。

通常汽车前面有四个智能出风口，后面至少两个，很多20万元以下的车型出风口都需要用手拨动百叶，包括左右摆风和上下摆风。当越来越多的风口变成隐藏式时，就没办法用手控制了，而需要用智能出风口，利用大屏进行控制。

风门执行器通常有两个电机，一个控制上下方向，另一个控制左右方向。现在，许多汽车的电子出风口一般采用的是小型步进电机，用4根导线（A+、A-、B+、B-）实现控制。

例如，某品牌车前面有4个出风口，后面至少有2个，6个出风口是现在的标配。每个出风口用2个步进电机，一共12个。每个步进电机需要4根驱动线，如果直接采用中央域控方案，就需要48根驱动线来控制所有的电机，且全部需要连接到域控的输出接插件上。这样的方式无论是在线缆成本，还是在系统装配复杂度方面都不是最优的。

第二个问题是，现在域控处理器的算力越来越高，利用大量网络通信协议将所有控制联系在一起，这对域控提出了更高的要求。通常，一个执行器只能控制一个电机，如果用一个域控电路板同时控制12个步进电机，就会有一些问题。

以出风口为例，在一辆30万元的车上，滑屏调节出风口的时候不希望听到任何噪声，所以电机要从原来单一的全步或半步控制变成微步控制。为了减小噪声，电机运行过程中还要控制谐波电流。

如果12个步进电机都需要做微步控制，控制风门百叶的时间要求就会非常高，甚至一些风门需要做位置反馈，比如风门到了某个位置需要停下来，方案中的传感器又会增加一根连接域控的线，这将使线束成本、接插件成本、系统成本进一步增加。

所以，在步进电机这种小型电机控制上浪费大量算力肯定划不来；而域控方式带来的相应布线成本和维护成本也需要考虑。

用高集成度SoC控制电机

因为必须使用电机，而且必须和机械安装的部件放在一起，避免不了机械运动，所以另一个行业趋势是将电机做成智能化电机。从外观上看，它还是一个电机，但其中包括部分智能化控制回路，即分布式智能执行器。

叶健介绍说，为了将原来的ECU功能集成到电机当中，纳芯微提出了IC高集成化的方案，推出了SoC NSUC1610。它和一般的处理器不同，可以直接用12V汽车电池供电，并可承受40V短时过压。另外，该SoC在一个芯片中集成了控制电机的MOSFET（4个半桥）及其所需的高压电路，以及Cortex-M3处理器加上必要的外围模拟元器件。其编译环境采用Keil标准编译和开发工具，编程器资源通用，开发调试简单。

值得一提的是，该芯片的LIN总线和普通的设计不太一样，出来的只有3根线，12V电源加上LIN线以及执行器到下一个执行器的LIN线，形成了一个菊花链结构，大大节省了线束长度，降低了线束复杂度。

该芯片可以直接控制三种不同的电机：小型有刷直流电机（BDC）、无刷直流电机（BLDC）和步进电机。它可以驱动两个直流有刷电机，或将其中两个驱动半桥并联起来驱动一个大的直流有刷电机。

在实际应用中，一些旋转大屏将手放上去时会有一些旋转阻力，所以需要有比较大的电流，NSUC1610可以提供1A（Rdson为500mΩ）的驱动电流。另外，针对智能充电口，考虑到北方下雪的时候可能冻上，所以需要在智能充电口启动时提供比较大的峰值电流。在这种情况下，可以将半桥并联起来提供更大的驱动电流，以应对这种应用场景。

该芯片还可以驱动BLDC电机，主要用在汽车AGS或汽车座椅通风。新能源汽车智能通风口或热管理的膨胀阀、多向阀等，可以使用步进电机，让旋转非常静谧，没有任何声音。

据叶健介绍，NSUC1610是国内首颗集成了小功率MOSFET阵列、LIN总线物理层和LDO的车用小电机单芯片驱动SoC。该产品集成度很高，用它实现的空调出风口执行器定制化设计可满足客户对于功率和集成度的要求。

总之，NSUC1610可以用来设计车用小尺寸、小功率、高效率的电机智能执行器，在帮助客户实现更高效、更紧凑、高性价比电机控制应用设计的同时，减小PCB尺寸，简化生产流程。其典型应用场景包括：热管理系统中的电子水阀、空调电子出风口、主动进气格栅系统执行器（AGS/AGM）、座椅通风无刷直流电机（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。

总结

叶健表示，事实上，只有将控制电路做得很小，才能嵌入电机执行机构中，将电机变成一个可以通过LIN或CAN总线直接进行数字控制的标准部件。要做到这一点，必须有高集成度的电机控制SoC。

目前这样的芯片市面上并不多，NSUC1610填补了国内市场空白，提供了一款外围元器件非常少的解决方案。用一块柔性板加上一小块硬板，就可以直接搭建一个电子执行器的驱动电路，加在电机尾部与电机成为一体，实现具有智能功能的电子执行器驱动。