Bruk C2000-sanntidsmikrokontrollere (sanntids-MCU-er) til å utvikle kostnads- og energieffektive design av strømstyringer til EV-motor

De raskt voksende tekniske kravene til strømelektronikk i moderne elektriske kjøretøyer (EV-er) og hybrid-EV-er (HEV-er), stiller i økende grad designere overfor en nesten uoverkommelig oppgave. Den høyere energivirkningsgraden og effekttettheten i drivlinje- og energiomformingssystemer krever mer kompleks styringselektronikk som omfatter virkningsfull galliumnitrid- (GaN) og silisiumkarbidteknologi (SiC) som opererer ved høye vekslingsfrekvenser. I tillegg til funksjonell sikkerhet, opererer tilkoblede kjøretøyer også under sikkerhetskrav på IT-nivå og bruker systemintervensjoner som FOTA-oppdateringer (firmware-over-the-air).

Stilt overfor stramme utviklingsbudsjetter og konkurransedyktige sluttproduktpriser, blir kraftelektronikkdesignere til syvende og sist overlatt til å finne måter å forenkle systemdesign på, inkludert distribusjon av mer integrerte styringsløsninger.

For å hjelpe til med å møte disse utfordringene, diskuterer denne artikkelen noen av fordelene med kjøretøyelektronikk-kompatible sanntidsmikrokontrollere (sanntids-MCU-er) fra Texas Instruments sin C2000-serie, som er egnet for drivstyringer (framdrift) og strømomformere i EV-er og HEV-er. Etter en kort funksjons- og grensesnittoversikt over F28003x-kontrollerfamilien, gir artikkelen innsikt i implementeringen av feltorientert kontroll (FOC) i trekkraftinverteren, og hysteretisk strømstyring i den integrerte laderen (ombord).

Mer virkningsgrad for styrte drivere og strømomformere

Den bemerkelsesverdige ytelsen til dagens elbiler og HEV-er resulterer i en stor del fra den elektroniske styringen i drivere og strømomformere. Sanntidsmikrokontrollere (MCU-er) som brukes i disse delsystemene bruker komplekse kontrollalgoritmer og nøyaktige motormodeller for å reagere ekstremt raskt, med en kontrollforsinkelse på bare noen få mikrosekunder (µs). Hvis lukket sløyfe-sanntidsstyringen er for langsom og går glipp av det definerte tidsvinduet, forringes kontrollsløyfens stabilitet, presisjon og virkningsgrad.

For å muliggjøre bruk av PID-regulatorer (proporsjonal-integral-derivative controller) fra standardbiblioteker, transformerer vektorregulatorer det trefase statorstrømsystemet til en todimensjonal strømromsvektor for å kontrollere magnetisk flukstetthet og rotormoment. En hurtigstrømsløyfe (blå pil i figur 1) bør oppnå en reguleringsforsinkelse på mindre enn 1 µs.

Figur 1: For stabil kontroll må en sanntidsmikrokontroller (sanntids-MCU) fullføre alle aritmetiske operasjoner per sløyfepass (blå pil) på mindre enn 1 µs. (Bildekilde: Texas Instruments)

Ved å kombinere rask vektorkontroll som FOC og en høyeffektiv intern permanent magnet synkron reluktansmotor (IPM-SynRM) oppnår motordrivverk store dreiemoment og opptil 96 % virkningsgrad sammenlignet med den klassiske likestrømsmotoren (dvs. permanentmagnetmotor eller PMSM). Designere kan implementere variabel dreiemomentstyring mellom Lorentz-kraften og reluktanskraften til IPM-SynRM ved hjelp av en C2000-serien sanntidsmikrokontrollere (sanntids-MCU-er) og C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK-programvare på en tids- og kostnadseffektiv måte. FOC gjør det også mulig å styre SynRM med høy presisjon – selv uten magneter eller posisjonssensorer – noe som sparer systemet for kostnader og vekt og gjør motoren mer motstandsdyktig mot overbelastning.

For AC-DC-strømomformere (vekselstrøm-likestrøm) som fungerer som innebygde EV-ladere (on-board chargers – OBC-er), eller vekselvis som solcelleinvertere, er det viktig å holde strømnettet fritt for harmonisk forvrengning. Denne urene nullspenningsvekslingen (ZVS) kan motvirkes med hybrid hysteretisk regulering (HHC) av strøm. Her kan utviklere også stole på C2000 MCU-er for å akselerere kretsdesign ved å bruke høyytelses algoritmer fra C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK-programvarearkivet.

Forenkle EV-systemdesign ved hjelp av C2000-mikrokontrollere (MCU-er)

For å forenkle utformingen av kraftsystemet, tilbyr Texas Instruments C2000-seriens sanntidsmikrokontrollere (sanntids-MCU-er) for rask implementering av komplekse strømkontroller, noe som letter utformingen av forskjellige fleksible kontroller takket være et omfattende miljø for maskinvare- og programvareutvikling. En enkelt C2000-mikrokontroller (MCU) gjør det mulig for kjøretøydesignere av å implementere mindre, rimeligere EV-drivlinjer til halve kostnaden, fordi de er konstruerte for samtidig håndtering av innebygde/integrerte ladere, DC-DC-omformere og trekkraftinvertere. Utrustninger som klimaanlegg (HVAC), førerhjelpesystemer og brenselcellestyring er også tenkelige.

Systemdesignere kan bruke en enkelt kraftig mikrokontroller (MCU) til å styre flere kraftelektronikk- og systemkomponenter fordelt over hele kjøretøyet. TI-nettstedet, spesielt Resource Explorer og C2000 Academy, gir designere rikt med støtte i form av datablad, programmerknader, evalueringstavler, referansedesign, opplæringsvideoer og et utviklerforum.

TI har optimalisert F28003x-familien av sanntidskontrollere/sanntidsstyringer spesielt for bruk i elbiler når det gjelder ytelse, integrasjon og kostnader. Ved å tilby 240 MIPS prosessorkraft og integrert periferiutstyr med sanntidskontrollere, kan kretsdesignere forbedre presisjonen og energieffektiviteten / virkningsgraden til deres motorstyring og strømkonverteringssystemer basert på en F280039CSPZ-mikrokontroller (MCU), uten behov for en FPGA. I tillegg reduserer GaN- og SiC-teknologi som er enkle å implementere, vekslingstap og øker strømtettheten på grunn av høyere vekslingsfrekvenser, mindre magnetiske komponenter og et mindre kjøleområdebehov.

F28003x-serien støtter CAN FD-kommunikasjon (Controller Area Network Full Duplex ) samt flere raske serielle grensesnitt. Et integrert flashminne på 384 kilobyte (KB) tilbyr rikelige reserver for realisering av nettverksbaserte IoT-funksjoner. Sikkerhetsfunksjoner på brikker som Secure Boot, en AES-krypteringsmotor, JTAG-lås og HWBIST-selvtest/maskinvare innebygd selvtest (hardware built-in self-test) sikrer at nettverksbaserte systeminngrep som live FOTA-oppdateringer (firmware og firmware-over-the-air) er sikre mot manipulering. Mikrokontrollerne (MCU-ene) oppfyller ASIL B-kravene og har funksjonell sikkerhet innebygd, noe som akselererer både applikasjonsutviklingstiden og den nødvendige sertifiseringen for markedslansering. Figur 2 gir en oversikt over viktige funksjoner og grensesnitt.

Figur 2: Funksjonsblokkdiagram for F280039C MCU som viser fremhevinger som rask prosessering, fleksible kommunikasjons- og sensoralternativer og sikkerhetsstøttefunksjoner som Secure Boot. (Bildekilde: Texas-instruments)

TMDSCNCD280039C er ideell for testing og prototyping og er et egnet evalueringskort for F280039C. For å betjene styringskortet controlCARD, utstyrt med en HSEC180 stiftlist (180-pin høyhastighets kantkontakt/edge-kontakt), kreves en TMDSHSECDOCK 180-pinners dokkingstasjon.

Konfigurerbare logikkblokker (CLB-er) for tilpasset logikk

Innovative konfigurerbare logikkblokker (CLB-er) gjør det mulig for programmerere å integrere tilpasset logikk i C2000-sanntidskontrollsystemet samtidig som ekstern logikk, FPGA-er, CPLD-er eller ASIC-er elimineres. Ved å legge til en CLB, kan eksisterende C2000 perifere moduler som forbedret pulsbreddemodulator (ePWM), forbedret datafangst (enhanced capture – eCAP), eller forbedret kvadraturkoderpuls (enhanced quadrature encoder pulse – eQEP) utvides med kundespesifikke signaler og funksjoner.

Logikkblokkene konfigureres via C2000 SysConfig, som er tilgjengelig i C2000Ware. Det krever SysConfig-verktøyet som er en del av TI sitt integrerte utviklingsmiljø (integrated development environment – IDE); Code Composer Studio (CCS) eller er tilgjengelig som et frittstående verktøy for bruk med andre IDE-er (figur 3).

Figur 3: CLB-er gjør det enkelt å implementere egendefinert logikk i C2000-sanntidskontrollersystemet, noe som eliminerer behovet for ekstern logikk og FPGA-er. (Bildekilde: Texas Instruments)

Programvare- og dokumentasjonspakken C2000Ware minimerer utviklingstiden ved å tilby omfattende enhetsspesifikke drivere, biblioteker og programeksempler, og ved også å utvide perifere enheter ved hjelp av CLB-er.

Grunnlaget for kodeutvikling og feilsøking av C2000 innebygde programmer er CCS IDE. Verktøysamlingen inkluderer en optimalisering av C/C++-kompilator, redigering av kildekode, prosjektbyggingsmiljø, feilsøking, profilering og mange andre funksjoner. Det intuitive ide gir et enkelt brukergrensesnitt som veileder brukerne gjennom hvert trinn i applikasjonsutviklingen. Kjente verktøy og grensesnitt basert på Eclipse-programvarerammeverket bidrar til at brukerne kan komme raskt i gang.

Klokking og testing

I stedet for å intervenere i den komplekse klokkeperiferien ved hjelp av CLB-er, kan programmerere bruke Embedded Pattern Generator (EPG) for enkle testscenarier under programmering eller validering. Den frittstående EPG-modulen letter genereringen av tilpassede pulsmønstre (SIGGEN) og klokkesignaler (CLOCKGEN), men den kan også fange opp og omforme en innkommende seriell datastrøm eller synkronisere med genererte klokkesignaler.

For feilsøking og overvåking og profilering av kritiske CPU-busser og enhetshendelser på en ikke-påtrengende måte i et C2000-sanntidssystem, brukes Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD). Maskinvaremodulen tilbyr utvidede busskomparatorer og systemhendelsestellere plassert i MCU-bussarkitekturen (figur 4).

Figur 4: ERAD viser avanserte busskomparatorer og systemhendelsestellere for avbruddsgenerering, ligger innenfor MCU-bussarkitekturen og muliggjør feilsøking av sanntidssystemet på en ikke-inntrengende måte. (Bildekilde: Texas Instruments)

ERAD kan uavhengig generere systemnivåavbrudd og flagg og mate dem inn i andre perifere enheter som CLB-en.

Implementer FOC-motorstyring raskere ved hjelp av C2000-mikrokontrollere (MCU-er)

Implementeringen av variabel dreiemomentregulering av en IPM-SynRM ved hjelp av en vektorregulering er kompleks. Avhengig av hastigheten og lastmomentet, må algoritmen styre forskyvningsvinkelen mellom to roterende koordinatsystemer. Dermed kan rotoren elektrisk lede eller forsinke det roterende statormagnetfeltet med opptil ±90° gjennom faseforskyvet styring, noe som tillater variabel drift mellom RM og PMSM. Den komplekse kontrollen av magnetisk flukstetthet og rotormoment kan implementeres raskt ved hjelp av TI sitt programvareutviklingssett for motorstyring.

Programvaren, basert på tiår med kombinert ekspertise, inkluderer fastvare som kjører på C2000-motorstyringsevalueringsmoduler (EVM) og TI-design (TIDs). To viktige funksjonsbiblioteker for vektorstyring er InstaSPIN-FOC (FOC-motorkontroller uten enkodere) og DesignDRIVE (FOC-motorkontroller som krever koder).

Nøkkelfunksjoner i InstaSPIN-FOC:

• Sensorløst dreiemoment eller hastighet FOC
• Fluks, vinkel, hastighet og dreiemoment (RASK) programvareobservatør for rotorestimeringer
• Identifikasjon av motorparameter
• Automatisk justering av observatør og momentreguleringssløyfe
• Førsteklasses ytelse for lav hastighet og svært dynamiske utrustninger

Et spesielt trekk ved FOC-kontrollsløyfen er den adaptive hurtigalgoritmen. Dette bestemmer automatisk flukstetthet, strømvinkel, hastighet og dreiemoment fra fasespenninger og strømmer (figur 5). Takket være automatisk identifisering av motorparametrene, kan designere raskt få en ny motor i gang og stole på det automatiske systemet for finjustering av kontrollsløyfen.

Figur 5: Et spesielt trekk ved FOC-kontrollsløyfen er den adaptive, FAST-algoritmen, som automatisk registrerer flukstetthet, strømvinkel, hastighet og dreiemoment. (Bildekilde: Texas Instruments)

Nøkkelfunksjoner i DesignDRIVE:

• Sensorhastighet eller posisjon FOC
• Posisjonstilbakemelding (feedback): Resolver, inkrementelle og absolutte enkodere
• Strømfølelsesteknikker: Shunt på lavsiden, strømprøvetaking på linje og demodulering av sigma-delta-filter
• Hurtigstrømsløyfe (Fast current loop – FCL): Optimalisert programvarebibliotek som utnytter maskinvareressurser til å akselerere prøvetaking, prosessering og aktivering av systemet for å oppnå høyeste kontrollbåndbredde for en gitt PWM-frekvens i servokontrollutrustninger
• Eksempler på tilkobling i sanntid

Applikasjonseksempel 1: Én mikrokontroller (MCU) styrer trekkraftinverter og DC-DC omformer

Bilprodusenter har en tendens til å slå sammen de tre distribuerte systemkomponentene til ett chassis og minimere antall MCU-er for å redusere systemkostnader og kompleksitet. Dette krever imidlertid en mikrokontroller (MCU) med høy ytelse for sanntidsstyring/sanntidskontroll for å håndtere alle tre. For å løse dette demonstrerer TI sin TIDM-02009-referansedesign kombinasjonsutformingen av en EV/HEV-trekkraftinverteren og en toveis DC-DC-omformer styrt av en enkelt sanntidsmikrokontroller (sanntids-MCU) F28388DPTPS (figur 6).

Figur 6: Bare ett C2000 MCU-kort på kontrollkortet (nederst til venstre) styrer trekkraftinverteren (øverst til venstre) og DC-DC-omformeren (til høyre). (Bildekilde: Texas Instruments)

Trekkraftinverteren bruker en programvarebasert resolver-til-digital-omformer (RDC) for å drive motoren til en høy hastighet på opptil 20 000 omdreininger per minutt (o/min). Dens effekttrinn består av Wolfspeed sin seksveis strømmodul CCS050M12CM2, basert på SiC FET-er, drevet av en TI UCC5870QDWJRQ1-intelligent gate-driver. En toppmoderne PWM-modul med integrert hellingskompensasjon i komparatorundersystemet (CMPSS) genererer PCMC-bølgeformen. Spenningsfølerbanen bruker TI sine ekstra høyisolerte forsterkere AMC1311QDWVRQ1 med 2 volts innganger, og strømregistreringsbanen bruker TI sine presisjonsforsterkere med ekstra høy isolasjon AMC1302QDWVRQ1 med innganger på ±50 millivolt (mV).

DC-DC-omformeren bruker toppstrømmoduskontroll (PCMC)-teknologi med faseforskyvet full-bro-topologi (PSFB) og synkron likeretning (SR). Dens toveis retning har den fordelen at omformeren forhåndslader likestrømsbuss-kondensatoren, noe som eliminerer behovet for strømbegrensende reléer og seriemotstander. Den CAN FD-baserte interferensbestandige kommunikasjonen leveres av den integrerte TCAN4550RGYTQ1-kontroller transceivermodul.

Brukseksempel 2: Effektiv toveis 6,6 kW AC-DC omformer

For relativt høye utgangseffekter, PMP22650 representerer et GaN FET-basert referansedesign for en toveis enfaset AC-DC-omformer som håndterer 6,6 kilowatt (kW) strøm. Laderen OBC kan lade trekkbatteriet med strøm fra nettet og omvendt forhåndslade DC-linkkondensatorene. Enheten 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 totempol-effektfaktorkorrigerte (PFC) koblingen som opererer ved en 120 kilohertz (kHz) svitsjefrekvens, og en fullbro CLLLC (C = kondensator, L = induktor) topologi etterfulgt av synkron likeretting . CLLLC-omformeren bruker både frekvens- og fasemodulasjon for utgangsregulering, og opererer med en variabel frekvens fra 200 kHz til 800 kHz.

I figur 7, det matchende TMDSCNCD28388D-kontrollerkort (senter) styrer PFC-mellomkretsen på primærsiden (venstre) og fullbro-CLLLC-omformeren på sekundærsiden med synkron likeretting (høyre). Skjemaet for denne utformingen er vist i figur 8.

Figur 7: TMDSCNCD28388D-kontrollerkortet (i midten) styrer PFC-koblingen på primærsiden (venstre) og CLLLC-omformeren med fullbro på sekundærsiden med synkron likeretting (høyre). (Bildekilde: Texas Instruments)

Effektivitet på opptil 96 % ved full effekt og en åpen rammeeffekttetthet på 3,8 kW/liter er muliggjort ved bruk av nyutviklede LMG3522R030-Q1 høyhastighets GaN FET-er. Effektfaktoren er 0,999 med mindre enn 2 % total harmonisk forvrengning (THD). Et alternativ til LMG3522 er LMG3422R030RQZT GaN FET, også bilkvalifisert, med en 600 volt koblingsspenning og en R_ds(ON) på 30 milliohm (mΩ). Den integrerer også gate-driveren, overbelastningsbeskyttelse og temperaturovervåking.

Figur 8: Kretstopologi til OBC-en som består av PFC-mellomkretsen (venstre) og sekundærsidens fullbro CLLLC-omformere med synkron likeretting (høyre). (Bildekilde: Texas Instruments)

En spesiell egenskap ved denne AC-DC-omformeren er HHC, som reduserer nullkryssingsforvrengning betydelig ved å emulere spenningen over resonanskondensatoren. Testresultatene viser også bedre transientrespons, og utformingen av denne kontrollsløyfen er også enklere enn enkeltsløyfespenningskontroll.

Eksemplet med en solcelleomformer viser hvor effektivt HHC reduserer forvrengning av brobrytertransistorene ved nullkryssing (figur 9, venstre), og dermed eliminerer både utslipp og forvrengninger på strømnettet. Den høye 7,8 % THD av den tredje harmoniske på den sinusformede nettspenningen (Figur 9, øverst til høyre) reduseres til 0,9 % ved å bruke HHC (Figur 9, nederst til høyre).

Figur 9: HHC kan betydelig redusere forvrengningen av brosvitsjetransistorene ved nullkryssing (venstre) og dermed eliminere THD. Den høye 7,8 % THD av den tredje harmoniske på den sinusformede linjespenningen (øverst til høyre) reduseres til 0,9 % (nederst til høyre) ved å bruke HHC. (Bildekilde: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

For øvrig er kretsutformingen av denne 6,6 kW DC-DC-omformeren basert på TI sin referansedesign TIDA-010062, mens C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, som nevnt tidligere, letter utformingen av slike strømomformere.

Konklusjon

Texas Instruments sin C2000-serie med sanntidsmikrokontrollere (sanntids-MCU-er) kan takle nesten alle styringsoppgaver innen kraftelektronikk i kjøretøyer Anvendelsen av disse MCU-økosystemene muliggjør systemdesign på en tids- og kostnadseffektiv måte ved å samle og i fellesskap styre det som vanligvis distribueres systemelektronikk ved hjelp av kraftige sannt sanntidsmikrokontrollere (sanntids-MCU-er).

Som vist er intelligente GaN- og SiC-drivkretser relativt enkle å implementere. Omfattende bibliotekfunksjonalitet og fullt dokumenterte, forhåndssertifiserte referansedesign letter implementeringen av mer effektiv FOC-motorstyring og HHC-styring av omformere.