Brug C2000 realtids MCU'er til at udvikle omkostnings- og energieffektive desigt af EV-motorstyring

De hurtigt voksende tekniske krav til effektelektronikken i moderne elektriske køretøjer (EV'er) og hybride EV'er (HEV'er) stiller i stigende grad designerne over for en næsten uoverkommelig opgave. Den højere energieffektivitet og effekttæthed i drivline- og energi-konverteringssystemer kræver mere kompleks styringselektronik, der inkorporerer effektiv galliumnitrid- (GaN) og siliciumcarbid- (SiC) teknologi, der arbejder ved høje switch-frekvenser. Ud over den funktionelle sikkerhed opererer forbundne køretøjer også under sikkerhedskrav på it-niveau og anvender systemindgreb som f.eks. FOTA (firmware-over-the-air-opdateringer).

Stillet over for stramme udviklingsbudgetter og konkurrencedygtige priser på slutprodukter må designere af effektelektronik i sidste ende finde måder at forenkle systemdesignet på, herunder ved at anvende mere integrerede styringsløsninger.

For at hjælpe med at imødegå disse udfordringer diskuterer denne artikel nogle af fordelene ved automotive-kompatible realtidsmikrocontrollere (MCU'er) fra Texas Instruments' C2000-serie, som er velegnede til kørekontroller og konvertere i EV'er og HEV'er. Efter en kort funktions- og grænsefladeoversigt over F28003x-controllerfamilien giver artiklen et indblik i implementeringen af feltorienteret styring (FOC) i traktionsinverteren og hysteretisk strømstyring i den indbyggede oplader.

Mere effektivitet for kontrollerede motorer og konvertere

Den bemærkelsesværdige ydelse af dagens EV'er og HEV'er skyldes i høj grad den elektroniske styring i drev og konvertere. MCU'er i realtid, der anvendes i disse delsystemer, anvender komplekse styringsalgoritmer og præcise motormodeller til at reagere ekstremt hurtigt med en styringsforsinkelse på kun få mikrosekunder (µs). Hvis realtidsstyringen i det lukkede kredsløb er for langsom og ikke når det definerede tidsvindue, forringes stabiliteten, præcisionen og effektiviteten af styringskredsløbet.

For at gøre det muligt at anvende PID-regulatorer (proportional-integral-derivativ) fra standardbiblioteker, omdanner vektorregulatorer det trefasede statorstrømsystem til en todimensional vektor i strømplanet for at regulere magnetisk fluxtæthed og rotordrejningsmoment. En hurtig strømsløjfe (blå pil i figur 1) bør opnå en forsinkelse på mindre end 1 µs.

Figur 1: For at opnå stabil styring skal en MCU i realtid gennemføre alle aritmetiske operationer pr. loop-pass (blå pil) på mindre end 1 µs. (Billedkilde: Texas Instruments)

Ved at kombinere hurtig vektorstyring som FOC og en yderst effektiv intern permanentmagnet synkron reluktansmotor (IPM-SynRM) opnår motorer store drejningsmomenter og op til 96 % effektivitet sammenlignet med den klassiske DC-motor (dvs. permanentmagnet-synkronmotor eller PMSM). Konstruktører kan implementere variabel drejningsmomentstyring mellem Lorentz-kraft og reluktancekraft i IPM-SynRM ved hjælp af en realtids-MCU i C2000-serien og C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK-softwaren på en tids- og omkostningseffektiv måde. FOC gør det også muligt at styre SynRM'er med høj præcision - selv uden magneter eller positionssensorer - hvilket sparer systemomkostninger og vægt og gør motoren mere modstandsdygtig over for overbelastning.

For AC/DC-konvertere, der fungerer som on-board ladere til elbiler (OBC'er) eller omvendt som solcelleinvertere, er det vigtigt at holde elnettet fri for harmonisk forvrængning. Denne urene nulspændingsskift (ZVS) kan modvirkes med hybrid hysteretisk styring (HHC) af strømmen. Her kan udviklere også stole på C2000 MCU'er til at fremskynde kredsløbsdesignet ved at anvende højtydende kontrolalgoritmer fra C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK-software rep.

Forenklet design af EV-systemer ved hjælp af C2000 MCU'er

For at forenkle design af strømsystemer tilbyder Texas Instruments C2000-serien af realtids-MCU'er til hurtig implementering af komplekse strømstyringer, der gør det lettere at designe forskellige fleksible styringer takket være et omfattende hardware- og softwareudviklingsmiljø. En enkelt C2000 MCU gør det muligt for designere at implementere mindre, mere overkommelige EV-drivlinjer til halvdelen af prisen, fordi de er designet til samtidig at håndtere on-board opladere, DC/DC-konvertere og traktionsinvertere. Anvendelser som f.eks. HVAC, førerassistentsystemer og styring af brændselsceller er også tænkelige.

Systemdesignere kan bruge en enkelt kraftig MCU til at styre flere strømelektronik- og systemkomponenter fordelt i hele køretøjet. TI's websted, især Resource Explorer og C2000 Academy, giver designere et væld af støtte i form af datablade, applikationsnoter, evalueringskort, referencedesigns, uddannelsesvideoer og et udviklerforum.

TI har optimeret F28003x-familien af realtidsstyringsenheder specifikt til brug i elbiler med hensyn til ydeevne, integration og omkostninger. Med 240 MIPS processorkraft og integrerede periferienheder til realtidsstyring kan kredsløbsdesignere forbedre præcisionen og energieffektiviteten af deres motorstyrings- og konverteringssystemer baseret på en F280039CSPZ MCU, uden behov for en FPGA. Desuden reducerer GaN- og SiC-teknologi, der er let at implementere, switch-tab og øger effekttætheden på grund af højere switch-frekvenser, mindre magnetiske komponenter og et mindre behov for køleområde.

F28003x-serien understøtter CAN FD (Controller Area Network Full Duplex-kommunikation) samt flere hurtige serielle grænseflader. En integreret flash-hukommelse på 384 kilobyte (Kbytes) giver rigeligt med reserver til realisering af netværksbaserede IoT (Internet of Things-funktioner). Sikkerhedsfunktioner på chippen såsom Secure Boot, en AES-krypteringsmotor, JTAG-lås og hardware indbygget selvtest (HWBIST) sikrer, at netværksbaserede systeminterventioner, såsom live firmware- og FOTA (firmware-over-the-air-opdateringer), er sikre mod manipulation. MCU'erne opfylder ASIL B-kravene og har indbygget funktionel sikkerhed, hvilket fremskynder både applikationsudviklingstiden og den nødvendige certificering til markedsintroduktion. Figur 2 giver et overblik over de vigtigste funktioner og grænseflader.

Figur 2: Funktionsblokdiagram for F280039C MCU'en, der viser højdepunkter som hurtig behandling, fleksible kommunikations- og sensormuligheder og sikkerhedsfunktioner som f.eks. Secure Boot. (Billedkilde: Texas-instruments)

TMDSCNCD280039C er ideel til test og prototyper og er et egnet evalueringskort til F280039C. For at betjene dette controlCARD udstyret med en HSEC180 header (180-bens højhastighes kantkonnektor) kræves der en TMDSHSECDOCK 180-bens dockingstation.

Konfigurerbare logikblokke (CLB'er) til brugerdefineret logik

Innovative konfigurerbare logikblokke (CLB'er) giver programmører mulighed for at integrere brugerdefineret logik i C2000 realtidsstyringssystemet og samtidig eliminere ekstern logik, FPGA'er, CPLD'er eller ASIC'er. Ved at tilføje en CLB kan eksisterende C2000-perifere moduler som f.eks. forbedret pulsbreddemodulator (ePWM), forbedret opsamling (eCAP) eller forbedret kvadraturkoderimpuls (eQEP) udvides med kundespecifikke signaler og funktioner.

Logikblokkene konfigureres via C2000 SysConfig, som er tilgængelig i C2000Ware. Det kræver SysConfig-værktøjet, som er en del af TI's Code Composer Studio (CCS) integrerede udviklingsmiljø (IDE) eller er tilgængeligt som et selvstændigt værktøj til brug med andre IDE'er (figur 3).

Figur 3: CLB'er gør det nemt at implementere brugerdefineret logik i C2000 realtidsstyringssystemet, hvilket eliminerer behovet for ekstern logik og FPGA'er. (Billedkilde: Texas Instruments)

C2000Ware-software- og dokumentationspakken minimerer udviklingstiden ved at levere omfattende enhedsspecifikke drivere, biblioteker og eksempler på applikationer og ved også at udvide perifere enheder ved hjælp af CLB'er.

Grundlaget for kodeudvikling og fejlfinding af C2000 embedded applikationer er CCS IDE. Værktøjssamlingen omfatter en optimerende C/C++-compiler, kildekode-editor, projektopbygningsmiljø, debugger, profiler og mange andre funktioner. Den intuitive IDE giver en enkelt brugergrænseflade, der guider brugerne gennem alle trin i applikationsudviklingen. Velkendte værktøjer og grænseflader baseret på Eclipse-softwarerammen bidrager til at gøre det muligt for brugerne at komme hurtigt i gang.

Clock og prøvning

I stedet for at gribe ind i den komplekse cloc-periferienheder ved hjælp af CLB'er kan programmører bruge Embedded Pattern Generator (EPG) til enkle testscenarier under programmering eller validering. Det selvstændige EPG-modul letter genereringen af brugerdefinerede pulsmønstre (SIGGEN) og clock-signaler (CLOCKGEN), men det kan også opsamle og konvertere en indgående seriel datastrøm eller synkronisere med genererede clock-signaler.

Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD) anvendes til fejlfinding og overvågning og profilering af kritiske CPU-busser og enhedsevents på en ikke-indtrængende måde i et C2000 realtidssystem. Hardwaremodulet tilbyder udvidede buskomparatorer og systemevent tællere placeret inden for MCU-busarkitekturen (Figur 4).

Figur 4: ERAD giver avancerede buskomparatorer og systemevent tællere til generering af afbrydelser, ligger i MCU-busarkitekturen og muliggør debugging af realtidssystemet på en ikke-indtrængende måde. (Billedkilde: Texas Instruments)

ERAD kan uafhængigt generere interrups og flag på systemniveau og sende dem til andre perifere enheder som CLB'en.

Hurtigere implementering af FOC-motorstyring ved hjælp af C2000 MCU'er

Implementeringen af den variable drejningsmomentstyring af en IPM-SynRM ved hjælp af en vektorstyring er kompleks. Afhængigt af hastigheden og belastningsmomentet skal algoritmen kontrollere forskydningsvinklen mellem to roterende koordinatsystemer. Således kan rotoren elektrisk føre eller forsinke det roterende statormagnetfelt med op til ±90° gennem faseforskydning, hvilket giver mulighed for variabel drift mellem RM og PMSM. Den komplekse styring af den magnetiske fluxtæthed og rotorens drejningsmoment kan hurtigt implementeres ved hjælp af TI's Motor Control Software Development Kit.

Softwaren, der er baseret på årtiers kombineret ekspertise, omfatter firmware, der kører på C2000 motorstyrings-evalueringsmoduler (EVM'er) og TI-designs (TID'er). To vigtige funktionsbiblioteker til vektorstyring er InstaSPIN-FOC (FOC-motorstyringer uden enkodere) og DesignDRIVE (FOC-motorstyringer, der kræver enkodere).

Nøglefunktioner i InstaSPIN-FOC:

• Sensorløst drejningsmoment eller hastighed FOC
• Flux, vinkel, hastighed og drejningsmoment (FAST) softwareobservatør til vurdering af rotorer
• Identifikation af motorparametre
• Automatisk justering af observatør- og drejningsmomentreguleringssløjfen
• Førsteklasses ydeevne til applikationer med lav hastighed og høj dynamik

Et særligt træk ved FOC-reguleringsløkken er den adaptive FAST-algoritme. Dette bestemmer automatisk fluxtæthed, strømvinkel, hastighed og drejningsmoment ud fra fasespændingerne og -strømmene (Figur 5). Takket være den automatiske identifikation af motorparametrene kan konstruktører hurtigt få en ny motor op at køre og stole på det automatiske system til finjustering af styresløjfen.

Figur 5: Et særligt træk ved FOC-reguleringsløkken er den adaptive FAST-algoritme, som automatisk registrerer fluxdensitet, strømvinkel, hastighed og drejningsmoment. (Billedkilde: Texas Instruments)

Nøglefunktioner i DesignDRIVE:

• Sensorerede hastigheder eller positioner FOC
• Tilbagemelding om stilling: Resolver, inkrementelle og absolutte encodere
• Teknikker til registrering af strøm: Low-side shunt, in-line strømprøvetagning og demodulering med sigma-delta-filter
• Hurtig strømsløjfe (FCL): Optimeret softwarebibliotek, der udnytter hardwareressourcerne fuldt ud til at fremskynde sampling, behandling og aktivering af systemet for at opnå den højeste båndbredde for en given PWM-frekvens i servostyringsapplikationer
• Eksempler på realtidsforbindelser

Anvendelseseksempel 1: Én MCU styrer traktionsinverter og DC/DC-konverter

Bilproducenter har en tendens til at samle de tre distribuerede systemkomponenter i ét chassis og minimere antallet af MCU'er for at reducere systemets omkostninger og kompleksitet. Dette kræver dog en MCU med høj realtidsstyringsevne til at styre alle tre. For at løse dette problem demonstrerer TI's TIDM-02009-referencedesign et kombinationsdesign af en EV/HEV-traktionsinverter og en tovejs DC/DC-konverter, der styres af en enkelt F28388DPTPS realtids-MCU (figur 6).

Figur 6: Kun ét C2000 MCU-kort på kontrolkortet (nederst til venstre) styrer traktionsinverteren (øverst til venstre) og DC/DC-konverteren (til højre). (Billedkilde: Texas Instruments)

Traktionsinverteren bruger en softwarebaseret resolver-til-digital-konverter (RDC) til at drive motoren til en høj hastighed på op til 20.000 omdrejninger pr. minut (rpm). RDC'ens effekttrin består af Wolfspeed's CCS050M12CM2 seks-vejs effektmodul baseret på SiC FET'er, der drives af en intelligent gate-driver TI UCC5870QDWJRQ1. Et avanceret PWM-modul med integreret hældningskompensation i komparatorundersystemet (CMPSS) genererer PCMC-bølgeformen. Spændingregistreringsvejen anvender TI's AMC1311QDWVRQ1 ekstra højisolationsforstærkere med 2 volts indgange, og strømregistrerinsvejen anvender TI's AMC1302QDWVRQ1 ekstra højisolations præcisionsforstærkere med ±50 millivolt (mV) indgange.

DC/DC-konverteren anvender PCMC-teknologi (peak current mode control) med faseforskudt fuldbros-topologi (PSFB) og synkron ensretning (SR). Den dobbeltrettede funktion har den fordel, at konverteren oplader DC-buskondensatoren på forhånd, hvilket eliminerer behovet for strømbegrænsende relæer og seriemodstande. Den CAN FD-baserede interferencesikre kommunikation leveres af det integrerede TCAN45504550RGYTQ1-controller transceivermodul.

Applikationseksempel 2: Effektiv tovejs 6,6 kW AC/DC-konverter

For relativt høje effektudgange repræsenterer PMP22650 et GaN FET-baseret referencedesign til en tovejs enfaset AC/DC-konverter, der kan håndtere 6,6 kilowatt (kW) effekt. OBC-opladeren kan oplade traktionsbatteriet med strøm fra nettet og omvendt forlade DC-link-kondensatorerne. Enheden konverterer 240 volt AC ved 28 ampere (A) på primærsiden til 350 volt DC ved 19 A på sekundærsiden.

En enkelt F28388DPTPS MCU styrer den tofasede totem-pol power factor corrected (PFC)-forbindelse, der fungerer ved en 120 kilohertz (kHz) switch-frekvens, og en fuldbro CLLLC-topologi (C = kondensator, L = induktor) efterfulgt af synkron ensretning. CLLLC-konverteren anvender både frekvens- og fasemodulation til udgangsregulering og fungerer ved en variabel frekvens fra 200 kHz til 800 kHz.

I figur 7 styrer det matchende TMDSCNCD28388D-controller (i midten) det primære PFC-mellemkredsløb (til venstre) og den sekundære fuldbro CLLC-konverter med synkron ensretning (til højre). Skemaet for denne konstruktion er vist i figur 8.

Figur 7: TMDSCNCD28388D-controllerkortet (i midten) styrer PFC-forbindelsen på primærsiden (til venstre) og CLLLC-konverter på sekundærsiden med synkron ensretning (til højre). (Billedkilde: Texas Instruments)

Effektivitet på op til 96 % ved fuld effekt og en effekttæthed i åben ramme på 3,8 kW/liter er muliggjort ved brug af nyudviklede LMG3522R030-Q1 GaN FET'er med høj hastighed. Effektfaktoren er 0,999 med mindre end 2 % total harmonisk forvrængning (THD). Et alternativ til LMG3522 er LMG3422R030RQZT GaN FET, der også er godkendt til biler, med en switch-spænding på 600 volt og en R_ds(ON) på 30 milliohms (mΩ). Den integrerer også gate-driveren, overbelastningsbeskyttelse og temperaturovervågning.

Figur 8: OBC-kredsløbstopologi bestående af PFC-mellemkredsløbet (til venstre) og sekundærsidens fuldbro CLLLC-konvertere med synkron ensretning (til højre). (Billedkilde: Texas Instruments)

En særlig egenskab ved denne AC/DC-konverter er HHC, som reducerer nul-krydsningsforvrængningen betydeligt ved at emulere spændingen over resonanskondensatoren. Testresultaterne viser også en bedre transient respons, og designet af dette kontrolloop er også enklere end spændingsstyring med enkelt loop.

Eksemplet med en solcelleinverter viser, hvor effektivt HHC reducerer forvrængning af bro switch-transistorerne ved nulpunktskrydsning (Figur 9, venstre) og dermed eliminerer emissioner og forvrængninger på elnettet. Den høje THD på 7,8 % for den 3. harmoniske harmoniske på den sinusformede netspænding (figur 9, øverst til højre) reduceres til 0,9 % ved brug af HHC (figur 9, nederst til højre).

Figur 9: HHC kan reducere forvrængningen af bro switch-transistorerne ved nulpunktsskiftet (til venstre) betydeligt og dermed fjerne THD. Den høje THD på 7,8 % for den 3. harmoniske harmoniske på den sinusformede linjespænding (øverst til højre) reduceres til 0,9 % (nederst til højre) ved hjælp af HHC. (Billedkilde: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

I øvrigt er kredsløbsdesignet for denne 6,6 kW DC/DC-konverter baseret på TI's TIDA-010062-referencedesign, mens C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, der er nævnt tidligere, gør det lettere at designe sådanne konvertere.

Konklusion

Texas Instruments' C2000-serie af realtids-MCU'er kan klare næsten alle styringsopgaver inden for bilers effektelektronik. Anvendelsen af disse MCU-økosystemer gør det muligt at designe systemer på en tids- og omkostningseffektiv måde ved at samle og i fællesskab styre det, der typisk ville være distribueret systemelektronik, ved hjælp af kraftige MCU'er i realtid.

Som det fremgår, er intelligente GaN- og SiC-drivere relativt nemme at implementere. Omfattende biblioteksfunktionalitet og fuldt dokumenterede, præcertificerede referencedesigns gør det lettere at implementere mere effektiv FOC-motorstyring og HHC-styring af konvertere.