技術(shù)干貨 | 使用 BLDC 電機助力機械掃描激光雷達實現(xiàn) 360 度視場

2025China.cn 2022年03月17日

　　我們都知道駕駛汽車時看清路面至關(guān)重要。而在實施自動駕駛等技術(shù)時，對這點要求得更為嚴格。自動駕駛汽車的“眼睛”被稱為光檢測和測距(激光雷達)技術(shù)，可提供汽車周圍環(huán)境的精確圖像。激光雷達使用光源和傳感器來檢測物體。

　　激光雷達系統(tǒng)的視場 (FOV) 決定了激光雷達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。擴大 FOV 的方法有很多種，其中之一就是利用機械掃描，使用電機幫助實現(xiàn) 360 度 FOV。無刷直流 (BLDC) 電機可以實現(xiàn)此目標，且高效低噪，因此廣受歡迎。

　　圖 1 展示了激光雷達模塊，圖 2 展示了配備激光雷達的自動駕駛汽車。

圖 1：激光雷達模塊

圖 2：配備激光雷達的自動駕駛汽車

　　配備機械掃描激光雷達的自動駕駛汽車

　　典型的激光雷達模塊由光源和傳感器組成，可實現(xiàn) 120 度 FOV。遺憾的是 120 度的視場對于自動駕駛環(huán)境來說遠遠不夠。要實現(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械掃描激光雷達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現(xiàn) 360 度無縫掃描的速度旋轉(zhuǎn)，準確反饋圖像位置。鑒于平臺重量比較輕，可以使用約 40W 的電機。

　　BLDC 電機非常適合這些旋轉(zhuǎn)平臺，并且可以使用霍爾效應(yīng)傳感器實現(xiàn) BLDC 電機換向。圖 3 顯示了機械掃描激光雷達的框圖。

圖 3：機械掃描激光雷達框圖

　　如何驅(qū)動 BLDC 電機

　　有幾種方法可以驅(qū)動約 40W 的 BLDC 電機。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)計需要應(yīng)用尺寸較小的電路板和功率較低的電機，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，以實現(xiàn)診斷目的。

　　也可以使用集成了控制算法的電機驅(qū)動器(如MCT8316Z)來驅(qū)動 BLDC 電機，該電機驅(qū)動器集成了傳感器梯形控制，無需進行電機控制軟件開發(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械掃描激光雷達電機驅(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 峰值電機繞組電流支持，這些驅(qū)動器可以在 24V 電源下實現(xiàn)高達 70W 的電機功率，足以驅(qū)動激光雷達系統(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)計人員可能會選擇使用硬件接口選項，而非 SPI 來配置常用設(shè)置?？赏ㄟ^ SPI 讀取的內(nèi)部驅(qū)動器寄存器提供詳細的故障診斷結(jié)果，萬一旋轉(zhuǎn)平臺中的電機出現(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。