Využití jednotek C2000 MCU v reálném čase k vývoji nákladově a energeticky účinných návrhů řízení výkonu EV motoru

Rychle rostoucí technické požadavky na výkonovou elektroniku moderních elektromobilů (EV) a hybridních EV (HEV) stále častěji staví konstruktéry před téměř neřešitelný úkol. Vyšší energetická účinnost a hustota výkonu hnacího ústrojí a systémů přeměny energie vyžadují složitější řídicí elektroniku, která zahrnuje účinnou technologii nitridu galia (GaN) a karbidu křemíku (SiC) pracující na vysokých spínacích frekvencích. Kromě funkční bezpečnosti fungují připojená vozidla také podle bezpečnostních požadavků na úrovni IT a uplatňují systémové zásahy, jako jsou aktualizace firmwaru přes vzduch (FOTA).

Tváří v tvář napjatým rozpočtům na vývoj a konkurenčním cenám koncových produktů musejí konstruktéři výkonové elektroniky nakonec hledat způsoby, jak zjednodušit návrh systému, včetně nasazení integrovanějších řešení regulace.

S cílem pomoci vyrovnat se s těmito výzvami se tento článek věnuje některým výhodám mikrokontrolérů v reálném čase (MCU) pro automobilový průmysl řady C2000 od společnosti Texas Instruments, které jsou vhodné pro řízení pohonu a měniče výkonu ve vozidlech EV a HEV. Po krátkém přehledu funkcí a rozhraní regulátorů skupiny F28003x poskytuje článek vhled do implementace vektorového řízení (FOC) v trakčním střídači a regulace hysterezního proudu ve vestavěné nabíječce.

Vyšší účinnost pro řízené pohony a výkonové měniče

Pozoruhodný výkon dnešních vozidel EV a HEV vyplývá z velké části z elektronického řízení v pohonech a měničích výkonu. Jednotky MCU v reálném čase používané v těchto subsystémech využívají složité řídicí algoritmy a přesné modely motorů, aby reagovaly extrémně rychle, se zpožděním řízení pouhých několika mikrosekund (µs). Pokud je řízení s uzavřenou smyčkou v reálném čase příliš pomalé a nedosáhne svého definovaného časového okna, sníží se stabilita, přesnost a účinnost regulační smyčky.

Aby bylo možné použít proporcionálně-integrálně-derivační (PID) regulátory ze standardních knihoven, vektorové regulátory transformují třífázový proudový systém statoru na dvourozměrný proudový prostorový vektor pro řízení hustoty magnetického toku a točivého momentu rotoru. Rychlá proudová smyčka (modrá šipka na obrázku 1) by měla dosáhnout zpoždění řízení kratšího než 1 µs.

Obrázek 1: Pro stabilní řízení musí jednotka MCU v reálném čase dokončit všechny aritmetické operace na průchod smyčkou (modrá šipka) za méně než 1 µs. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Kombinací rychlého vektorového řízení, jako je FOC, a vysoce účinného synchronního reluktančního motoru s permanentními magnety (IPM-SynRM), motorové pohony dosahují velkých točivých momentů a až 96% účinnosti ve srovnání s klasickým stejnosměrným motorem (tj. synchronním motorem s permanentními magnety, nebo PMSM). Konstruktéři mohou časově a nákladově efektivním způsobem implementovat regulaci proměnného točivého momentu mezi Lorentzovu a reluktanční sílu motoru IPM-SynRM pomocí jednotek MCU řady C2000 v reálném čase a softwaru C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK. Systém FOC také umožňuje řídit SynRM s vysokou přesností - dokonce i bez magnetů nebo snímačů polohy - šetří náklady na systém a hmotnost a činí motor odolnějším proti přetížení.

U měničů AC-DC, které fungují jako vestavěné nabíječky EV (OBC), nebo naopak jako fotovoltaické střídače, je důležité udržovat rozvodnou síť bez harmonického zkreslení. Proti tomuto nečistému spínání v nulovém napětí (ZVS) lze působit hybridním řízením hystereze proudu (HHC). Zde mohou také vývojáři využívat jednotku C2000 MCU k urychlení návrhu obvodů použitím vysoce výkonných řídicích algoritmů ze softwarového úložiště C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK.

Zjednodušení návrhu EV systému pomocí jednotek C2000 MCU

Pro zjednodušení návrhu napájecího systému nabízí Texas Instruments řadu C2000 MCU v reálném čase pro rychlou implementaci komplexních řízení napájení, což usnadňuje návrh různých flexibilních ovládacích prvků díky komplexnímu vývojovému prostředí hardwaru a softwaru. Jediná jednotka C2000 MCU umožňuje konstruktérům vozidel implementovat menší, cenově dostupnější elektrické pohony za poloviční náklady, protože jsou navrženy tak, aby současně ovládaly vestavěné nabíječky, DC-DC měniče a trakční měniče. Realizovatelné jsou též aplikace jako HVAC, asistenční systémy pro řidiče a ovládání palivových článků.

Systémoví konstruktéři mohou pomocí jediné výkonné jednotky MCU ovládat více součástí výkonové elektroniky a systému rozmístěných po celém vozidle. Webové stránky společnosti TI, zejména sekce Průzkumník prostředků a C2000 Academy, poskytují konstruktérům širokou podporu ve formě datových listů, aplikačních poznámek, hodnotících panelů, referenčních návrhů, školicích videí a vývojářského fóra.

Společnost TI optimalizovala řadu řídicích jednotek v reálném čase F28003x speciálně pro použití v EV z hlediska výkonu, integrace a nákladů. Díky výpočetnímu výkonu 240 MIPS a integrovaným periferiím pro řízení v reálném čase mohou konstruktéři obvodů zlepšit přesnost a energetickou účinnost svých systémů regulace motorů a přeměny energie založených na jednotce F280039CSPZ MCU - bez potřeby FPGA. Snadno implementovatelná technologie GaN a SiC navíc snižuje spínací ztráty a zvyšuje hustotu výkonu díky vyšším spínacím frekvencím, menším magnetickým součástkám a sníženým požadavkům na chladicí plochu.

Řada F28003x podporuje komunikaci v síti Controller Area Network Full Duplex (CAN FD) a také několik rychlých sériových rozhraní. Integrovaná flash paměť o velikosti 384 kilobajtů (Kbytes) nabízí dostatečné rezervy pro realizaci síťových funkcí internetu věcí (IoT). Funkce zabezpečení na čipu, jako je Secure Boot, šifrovací procesor AES, zámek JTAG a vestavěný hardwarový autotest (HWBIST) zajišťují, aby síťové zásahy do systému, jako jsou živé aktualizace firmwaru a aktualizace firmwaru over-the-air (FOTA) byly zabezpečeny proti neoprávněné manipulaci. Jednotky MCU splňují požadavky normy ASIL B a mají zabudovanou funkční bezpečnost, což zrychluje jak dobu vývoje aplikací, tak potřebnou certifikaci pro uvedení na trh. Obrázek 2 poskytuje přehled základních funkcí a rozhraní.

Obrázek 2: Funkční blokové schéma jednotky MCU F280039C zobrazující přednosti, jako je rychlé zpracování, flexibilní možnosti komunikace a snímání a funkce podpory zabezpečení, jako je Secure Boot. (Zdroj obrázku: Texas-instruments)

TMDSCND280039C je vhodná vyhodnocovací deska pro F280039C ideální pro testování a prototypování. Provoz této karty controlCARD vybavené paticí HSEC180 (180pinový vysokorychlostní okrajový konektor) vyžaduje 180pinovou dokovací stanici TMDSHSECDOCK.

Konfigurovatelné logické bloky (CLB) pro vlastní logiku

Inovativní konfigurovatelné logické bloky (CLB) umožňují programátorům integrovat vlastní logiku do řídicího systému C2000 v reálném čase a zároveň eliminovat externí logiku, FPGA, CPLD nebo ASIC. Přidáním bloku CLB lze stávající periferní moduly C2000, jako je modulátor šířky pulsu (ePWM), vylepšené snímání (eCAP) nebo vylepšený puls kvadraturního kodéru (eQEP), rozšířit o signály a funkce specifické pro zákazníka.

Logické bloky se konfigurují pomocí nástroje C2000 SysConfig, který je dostupný v softwarové sadě C2000Ware. Vyžaduje nástroj SysConfig, který je součástí integrovaného vývojového prostředí (IDE) Code Composer Studio (CCS) od společnosti TI, nebo je k dispozici jako samostatný nástroj pro použití s jinými prostředími IDE (obrázek 3).

Obrázek 3: bloky CLB usnadňují implementaci vlastní logiky do řídicího systému C2000 v reálném čase, čímž eliminují potřebu externí logiky a polí FPGA. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Softwarový a dokumentační balíček C2000Ware minimalizuje dobu vývoje tím, že poskytuje rozsáhlé ovladače, knihovny a příklady aplikací pro konkrétní zařízení a také rozšiřuje periferní zařízení pomocí bloků CLB.

Základem pro vývoj kódu a ladění embedded aplikací C2000 je CCS IDE. Kolekce nástrojů obsahuje optimalizační kompilátor C/C++, editor zdrojového kódu, prostředí pro sestavení projektu, debugger, profiler a mnoho dalších funkcí. Intuitivní prostředí IDE poskytuje jediné uživatelské rozhraní, které uživatele provede každým krokem vývoje aplikace. Známé nástroje a rozhraní založené na softwarovém rámci Eclipse pomáhají uživatelům s rychlým začátkem.

Taktování a testování

Namísto zasahování do složité periferie hodin pomocí bloků CLB mohou programátoři pro jednoduché testovací scénáře během programování nebo ověřování využívat vestavěný generátor vzorů (EPG). Samostatný modul EPG usnadňuje generování vlastních vzorů impulsů (SIGGEN) a hodinových signálů (CLOCKGEN), ale může také zachytit a přetvarovat příchozí sériový datový tok nebo se synchronizovat s generovanými hodinovými signály.

Pro neintruzivní ladění, monitorování a profilování kritických sběrnic CPU a událostí zařízení v systému C2000 v reálném čase se používá Integrovaná analýza a diagnostika v reálném čase (ERAD). Hardwarový modul nabízí rozšířené komparátory sběrnic a čítače systémových událostí umístěné v architektuře sběrnice MCU (obrázek 4).

Obrázek 4: systém ERAD poskytuje pokročilé komparátory sběrnic a čítače systémových událostí pro generování přerušení, je umístěn v architektuře sběrnice MCU a umožňuje neintruzivní ladění systému v reálném čase. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

ERAD může nezávisle generovat přerušení a příznaky na systémové úrovni a dodávat je do jiných periferií, jako jsou bloky CLB.

Urychlení implementace regulace motoru FOC pomocí jednotky C2000 MCU

Implementace řízení proměnného točivého momentu IPM-SynRM pomocí vektorového řízení je složitá. V závislosti na rychlosti a momentu zatížení musí algoritmus řídit úhel offsetu mezi dvěma rotujícími souřadnicovými systémy. Rotor tak může elektricky předbíhat nebo se zpožďovat za rotujícím magnetickým polem statoru až o ±90° prostřednictvím řízení s fázovým posunem, což umožňuje variabilní provoz mezi RM a PMSM. Komplexní řízení hustoty magnetického toku a točivého momentu rotoru lze rychle implementovat pomocí vývojové sady TI Motor Control Software Development Kit.

Software, založený na odborných poznatcích budovaných po desetiletí, zahrnuje firmware, který běží na vyhodnocovacích modulech regulace motoru C2000 (EVM) a konstrukcích TI (TID). InstaSPIN-FOC (ovládání motoru FOC bez enkodérů) a DesignDRIVE (regulace motoru FOC vyžadující kodéry) jsou dvě klíčové knihovny funkcí pro vektorové řízení.

Klíčové vlastnosti InstaSPIN-FOC:

• Bezsenzorový moment nebo rychlost FOC
• Softwarový pozorovatel toku, úhlu, rychlosti a točivého momentu (FAST) pro odhady rotoru
• Identifikace parametrů motoru
• Automatické ladění pozorovatele a regulační smyčky momentu
• Prémiový výkon pro nízkorychlostní a vysoce dynamické aplikace

Zvláštností regulační smyčky FOC je adaptivní algoritmus FAST. To automaticky určuje hustotu toku, úhel proudu, rychlost a točivý moment z fázových napětí a proudů (obrázek 5). Díky automatické identifikaci parametrů motoru mohou konstruktéři rychle uvést do provozu nový motor a spolehnout se na automatický systém pro jemné doladění regulační smyčky.

Obrázek 5: Speciální funkcí regulační smyčky FOC je adaptivní algoritmus FAST, který automaticky detekuje hustotu toku, úhel proudu, rychlost a točivý moment. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Klíčové vlastnosti DesignDRIVE:

• Snímaná rychlost nebo poloha FOC
• Zpětná vazba polohy: Resolver, inkrementální a absolutní enkodéry
• Techniky snímání proudu: bočník na nízké straně, in-line vzorkování proudu a demodulace sigma-delta filtru
• Rychlá proudová smyčka (FCL): Optimalizovaná softwarová knihovna, která plně využívá hardwarové zdroje k urychlení vzorkování, zpracování a aktivace systému pro dosažení nejvyšší šířky řídicího pásma pro danou frekvenci PWM v aplikacích řízení serv.
• Příklady konektivity v reálném čase

Příklad aplikace 1: Jedna jednotka MCU řídí trakční střídač a DC-DC měnič

Automobiloví výrobci mají tendenci spojovat tři distribuované systémové komponenty do jednoho šasi a minimalizovat počet MCU, aby se snížily náklady a složitost systému. To však vyžaduje jednotku MCU s vysokým výkonem řízení v reálném čase pro řízení všech tří komponent. Tento problém řeší referenční návrh TIDM-02009 společnosti TI demonstrující kombinovanou konstrukci trakčního měniče EV/HEV a obousměrného DC-DC měniče řízeného jednou jednotkou F28388DPTPS MCU v reálném čase (obrázek 6).

Obrázek 6: Trakční střídač (vlevo nahoře) a DC-DC měnič (vpravo) ovládá pouze jedna karta C2000 MCU řídicí desky (vlevo dole). (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Trakční střídač využívá softwarový převodník na digitální převodník (RDC) k pohonu motoru na vysokou rychlost až 20 000 otáček za minutu (ot/min). Jeho výkonový stupeň se skládá z šesticestného napájecího modulu CCS050M12CM2 od společnosti Wolfspeed na bázi tranzistorů SiCFET řízeného inteligentním hradlovým budičem TIUCC5870QDWJRQ1. Nejmodernější modul PWM s integrovanou kompenzací strmosti v komparátorovém subsystému (CMPSS) generuje vlnový průběh PCMC. Cesta snímání napětí využívá zesilovače s extra vysokou izolací AMC1311QDWVRQ1 od společnosti TI s 2V vstupy, přičemž cesta snímání proudu využívá přesné zesilovače AMC1302QDWVRQ1 od společnosti TI s extra vysokou izolací se vstupy ±50 mV.

DC-DC měnič využívá technologii řízení režimu špičkového proudu (PCMC) s fázově posunutou topologií plného můstku (PSFB) a synchronní rektifikací (SR). Jeho obousměrnost má tu výhodu, že převodník předem nabíjí kondenzátor stejnosměrné sběrnice, čímž odpadá nutnost použití relé omezujících proud a sériových rezistorů. Komunikaci odolnou proti rušení na bázi CAN FD zajišťuje integrovaný modul transceiveru ovladače TCAN4550RGYTQ1.

Příklad aplikace 2: Efektivní obousměrný měnič 6,6 kW AC-DC

Pro výstupy s relativně vysokým výkonem je k dipozici referenční design PMP22650 na bázi tranzistorů GaN FET pro obousměrný jednofázový AC-DC měnič, který zpracovává výkon 6,6 kW. Nabíječka OBC dokáže nabíjet trakční baterii energií ze sítě a naopak předbíjet filtrační kondenzátory DC link. Součástka převádí střídavé napětí 240 V při 28 A na primární straně na stejnosměrné napětí 350 V při 19 A na sekundární straně.

Jediný procesor F28388DPTPS MCU řídí dvoufázový totemový pól s kompenzací účiníku (PFC) pracující při spínací frekvenci 120 kHz (kHz) a topologii CLLLC (C = kondenzátor, L = induktor), po níž následuje synchronní usměrnění. Převodník CLLLC využívá pro regulaci výstupu jak frekvenční, tak fázovou modulaci a pracuje s proměnnou frekvencí od 200 kHz do 800 kHz.

Na obrázku 7 ovládá odpovídající karta řadiče TMDSCNCD28388D (uprostřed) meziobvod PFC na primární straně (vlevo) a plnomůstkový CLLLC převodník se synchronním usměrněním (vpravo) na sekundární straně. Schéma tohoto návrhu je znázorněno na obrázku 8.

Obrázek 7: Karta řadiče TMDSCNCD28388D (uprostřed) ovládá linku PFC na primární straně (vlevo) a plnomůstkový převodník CLLLC na sekundární straně se synchronním usměrňováním (vpravo). (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Účinnost až 96 % při plném výkonu a open-frame hustota výkonu 3,8 kW/litr jsou možné díky použití nově vyvinutých vysokorychlostních tranzistorů GaN FET LMG3522R030-Q1. Účiník je 0,999 s méně než 2% celkovým harmonickým zkreslením (THD). Alternativou k modelu LMG3522 je tranzistor GaN FET LMG3422R030RQZT určený rovněž pro automobilový průmysl se spínacím napětím 600 V a R_{ds (ON)} 30 mΩ. Integruje též hradový budič, ochranu proti přetížení a monitorování teploty.

Obrázek 8: Topologie obvodu OBC složeného z meziobvodu PFC (vlevo) a sekundárních plnomůstkových CLLLC převodníků se synchronním usměrňováním (vpravo). (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Zvláštností tohoto AC-DC měniče je HHC (hybridní řízení hystereze), který výrazně snižuje zkreslení při průchodu nulou emulací napětí na rezonančním kondenzátoru. Výsledky testu také ukazují lepší přechodovou odezvu. Konstrukce této regulační smyčky je také jednodušší než jednosmyčková napěťová regulace.

Příklad fotovoltaického střídače ukazuje, jak řízení HHC účinně snižuje zkreslení můstkových spínacích tranzistorů při průchodu nulou (obrázek 9 vlevo), čímž eliminuje emise i zkreslení v elektrické síti. Vysoké zkreslení 7,8 % THD 3. harmonické na sinusovém síťovém napětí (obrázek 9, vpravo nahoře) se při použití řízení HHC sníží na 0,9 % (obrázek 9 vpravo dole).

Obrázek 9: Systém HHC dokáže výrazně snížit zkreslení můstkových spínacích tranzistorů při průchodu nulou (vlevo) a tím eliminovat zkreslení THD. Vysoké zkreslení THD 7,8 % 3. harmonické na sinusovém síťovém napětí (vpravo nahoře) se pomocí systému HHC sníží na 0,9 % (vpravo dole). (Zdroj obrázku: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

Mimochodem, návrh obvodu tohoto 6,6kW DC-DC měniče je založen na referenční konstrukci TIDA-010062 společnosti TI, zatímco výše zmíněný nástroj C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK návrh takových měničů výkonu usnadňuje.

Závěr

MCU v reálném čase řady C2000 od společnosti Texas Instruments se mohou vypořádat s téměř jakýmkoliv úkolem řízení v automobilové výkonové elektronice. Aplikace těchto ekosystémů s jednotkami MCU umožňuje návrh systému časově a nákladově efektivním způsobem agregací a společným řízením toho, co by se typicky dalo nazvat elektronikou distribučního systému s využitím výkonových jednotek MCU v reálném čase.

Jak je ukázáno, inteligentní výkonové ovladače GaN a SiC se poměrně snadno implementují. Rozsáhlá knihovní funkce a plně zdokumentované, předem certifikované referenční návrhy usnadňují implementaci účinnějšího řízení motoru FOC a řízení HHC měničů.