Använd C2000 realtidsmicrocontrollers för att utveckla kostnads- och energieffektiva konstruktioner för elfordonsmotorstyrning

De snabbt växande tekniska kraven på effektelektronik i moderna elfordon och hybridfordon ställer ofta konstruktörer inför en nästan oöverstiglig uppgift. Den högre energieffektiviteten och effekttätheten hos drivlinor och energiomvandlingssystem kräver mer komplex styrelektronik som innehåller en strömeffektiv teknik med galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) som används vid höga switchningsfrekvenser. Förutom krav på funktionell säkerhet har uppkopplade fordon också säkerhetskrav på sig på IT-nivå och använder systemingrepp som uppdateringar av firmware fjärrledes (firmware over the air - FOTA).

När konstruktörer av effektelektronik ställs inför tuffa utvecklingsbudgetar och konkurrenskraftiga priser på slutprodukter måste de i slutändan hitta sätt att förenkla systemkonstruktionen, bland annat genom att använda mer integrerade styrlösningar.

För att underlätta att klara dessa utmaningar diskuterar denna artikel några av fördelarna med fordonskompatibla realtidsmicrokontrollers (microcontrollers) i Texas Instruments C2000-serie som är lämpliga för framdrivningsstyrning och effektomvandlare i elfordon och hybridfordon. Efter en kort funktions- och gränssnittsöversikt över styrningar i F28003x-familjen ger artikeln en inblick i implementering av fältorienterad styrning (FOS) i framdrivningsväxelriktaren och hysteretisk strömstyrning av den inbyggda laddaren i fordonet.

Ökad effektivitet för styrda drivenheter och effektomvandlare

Den anmärkningsvärda prestandan hos dagens rena elfordon och elhybridfordon beror till stor del på den elektroniska styrningen i drivaggregat och effektomvandlare. Realtidsmicrocontrollers som används i dessa delsystem använder komplexa styralgoritmer och exakta motormodeller för att reagera extremt snabbt, med en styrfördröjning på bara några mikrosekunder (µs). Om realtidsregleringen i en återkopplad krets är för långsam och missar sitt definierade tidsfönster försämras stabiliteten, precisionen och effektiviteten i reglerkretsen.

För att möjliggöra användning av PID-regulatorer (proportionell, integrerande, deriverande) från standardbibliotek omvandlar vektorbaserade styrningar det trefasiga statorströmsystemet till en tvådimensionell vektor i strömplanet för att styra magnetisk flödestäthet och rotorvridmoment. En snabb strömslinga (blå pil i figur 1) bör uppnå en reglerfördröjning på mindre än 1 µs.

Figur 1: För stabil styrning måste en realtidsmicrocontroller genomföra alla aritmetiska operationer per återkopplingsomgång (blå pil) på mindre än 1 µs. (Bildkälla: Texas Instruments)

Genom att kombinera snabb vektorstyrning, såsom FOS, och en högeffektiv intern synkronreluktansmotor med permanentmagnet (IPM-SynRM) kan man uppnå stora vridmoment och upp till 96 % verkningsgrad jämfört med en klassisk likströmsmotor (dvs. en synkronmotor med permanentmagnet eller PMSM). Konstruktörer kan implementera variabel vridmomentstyrning mellan Lorentz-kraften och reluktanskraften i IPM-SynRM med hjälp av en realtidsmicrocontroller i C2000-serien och programvaran C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK på ett tids- och kostnadseffektivt sätt. FOS gör det också möjligt att styra SynRMs med hög precision - även utan magneter eller positionssensorer - vilket sparar systemkostnader och vikt och gör motorn mer motståndskraftig mot överbelastning.

För AC- och DC-omvandlare som används som inbyggda fordonsladdare, eller omvänt, som solcellsväxelriktare, är det viktigt att hålla elnätet fritt från harmoniska störningar. Denna orena nollspänningsswitchning (ZVS) kan motverkas med hybrid-hysteretisk reglering (HHC) av strömmen. Här kan utvecklare också förlita sig på C2000-microcontrollers för att påskynda kretskonstruktionen genom att använda styralgoritmer med hög prestanda från programvarubiblioteket C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK.

Förenkla konstruktionen av elfordonssystem med C2000-microcontrollers

För att förenkla konstruktionen av effektelektroniksystem erbjuder Texas Instruments C2000-serien med realtidsmicrocontrollers för snabb implementering av komplex effektreglering, vilket underlättar konstruktionen av olika flexibla styrningar tack vare en kraftfull utvecklingsmiljö för både hårdvara och mjukvara. En enda C2000-microcontroller gör det möjligt för fordonsutvecklare att implementera mindre, mer prisvärda elfordondrivlinor till halva kostnaden eftersom de är utformade för att samtidigt hantera inbyggda laddare, DC/DC-omvandlare och växelriktare för framdrivningen. Funktioner som HVAC, förarassistanssystem och styrning av bränsleceller är också möjliga.

Systemkonstruktörer kan använda en enda kraftfull microcontroller för att styra flera effektelektronikkomponenter och systemkomponenter som är fördelade över hela fordonet. På TI:s webbplats, särskilt Resource Explorer och C2000 Academy, finns användbara stödresurser för konstruktörer i form av datablad, användningsanvisningar, utvärderingskort, referenskonstruktioner, utbildningsvideor och ett forum för utvecklare.

TI har optimerat F28003x-familjen av realtidsstyrenheter specifikt för användning i elbilar när det gäller prestanda, integration och kostnader. Med 240 MIPS processorkraft och integrerade kringkretsar för realtidsstyrning kan kretskonstruktörer förbättra precisionen och energieffektiviteten hos sina motorstyrnings- och effektomvandlingssystem baserat på en F280039CSPZ-microcontroller - utan behov av en FPGA. Dessutom minskar enkelt implementerad GaN- och SiC-teknik switchningsförlusterna och ökar effekttätheten tack vare högre switchningsfrekvenser, mindre magnetiska komponenter och mindre behov av kylningsyta.

F28003x-serien stöder Controller Area Network Full Duplex (CAN FD)-kommunikation samt flera snabba seriella gränssnitt. Ett integrerat Flash-minne på 384 kilobyte ger gott om utrymme för att förverkliga IoT-funktioner (Internet of Things) i nätverk. Säkerhetsfunktioner på chipet - såsom Secure Boot, en AES-krypteringsprocessor, JTAG-lås och inbyggd hårdvarusjälvtestning (HWBIST) - säkerställer att nätverksbaserade systeminterventioner, t.ex. uppdateringar av firmware och firmware-over-the-air (FOTA), är säkra mot hackerangrepp. Microcontrollrarna uppfyller ASIL B-kraven och har funktionell säkerhet inbyggd, vilket gör det möjligt att påskynda både applikationsutveckling och den nödvändiga certifieringen för marknadsintroduktion. Figur 2 ger en översikt över viktiga funktioner och gränssnitt.

Figur 2: Funktionsblockdiagram för F280039C-microcontrollern som visar några viktiga funktioner, såsom snabb processning, flexibla kommunikations- och avkänningsalternativ och säkerhetsfunktioner som Secure Boot. (Bildkälla: Texas-instruments)

TMDSCNCD280039C är ett lämpligt utvärderingskort för F280039C och är perfekt för testning och prototyptillverkning. För att kunna använda detta styrkort, som är utrustat med en HSEC180-stiftlist (höghastighetsdon med 180 stift) krävs en TMDSHSECDOCK-dockningsstation med 180 stift.

Konfigurerbara logikblock (CLB) för anpassad logik

Innovativa konfigurerbara logikblock (CLB) gör det möjligt för programmerare att integrera anpassad logik i realtidsstyrsystemet på C2000 och samtidigt eliminera extern logik, FPGA:er, CPLD:er eller ASIC:er. Genom att lägga till en CLB kan befintliga C2000-kringkretsar, t.ex. förbättrad pulsbreddsmodulator (ePWM), förbättrad dataregistrering (eCAP) eller förbättrad kvadraturkodare (eQEP), utökas med kundspecifika signaler och funktioner.

Logikblocken konfigureras via C2000 SysConfig, som är tillgängligt i C2000Ware. Detta kräver verktyget SysConfig som ingår i TI:s integrerade utvecklingsmiljö (IDE) Code Composer Studio (CCS) eller finns som ett fristående verktyg som kan användas med andra integrerade utvecklingsmiljöer (IDE) (figur 3).

Figur 3: CLB:er gör det enkelt att implementera anpassad logik i realtidsstyrsystemet på C2000, vilket eliminerar behovet av extern logik och FPGA:er. (Bildkälla: Texas Instruments)

Programvaran och dokumentationspaketet C2000Ware minimerar utvecklingstiden genom att erbjuda omfattande enhetsspecifika drivrutiner, bibliotek och applikationsexempel samt genom att utöka kringkretsenheter med hjälp av CLB:er.

CCS-utvecklingsmiljön är grunden för kodutveckling och felsökning av inbäddade C2000-applikationer. Verktygsuppsättningen innehåller en optimerande C/C++-kompilator, en källkodsredigerare, en miljö för att bygga projekt, en debugger, en profilerare och många andra funktioner. Den intuitiva IDE:n har ett enda användargränssnitt som vägleder användaren genom varje steg i programutvecklingen. Välbekanta verktyg och gränssnitt baserade på mjukvaruramverket Eclipse bidrar till att användarna snabbt kan komma igång.

Klockning och testning

I stället för att ingripa i den komplexa klockperiferin med hjälp av CLB:er kan programmerare använda Embedded Pattern Generator (EPG) för enkla testscenarier under programmering eller validering. Den fristående EPG-modulen underlättar generering av specialanpassade pulsmönster (SIGGEN) och klocksignaler (CLOCKGEN), men den kan också registrera och omforma en inkommande seriell dataström eller synkronisera med genererade klocksignaler.

För felsökning och övervakning och profilering av kritiska CPU-bussar och enhetshändelser på ett icke-inträngande sätt i ett C2000-realtidssystem, används Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD). Hårdvarumodulen erbjuder utökade busskomparatorer och systemhändelseräknare som är placerade i microcontrollerns bussarkitektur (Figur 4).

Figur 4: ERAD erbjuder avancerade busskomparatorer och systemhändelseräknare för interruptgenerering. Den ligger i microcontroller-bussarkitekturen och möjliggör debugging av realtidssystemet på ett icke-inträngande sätt. (Bildkälla: Texas Instruments)

ERAD kan självständigt generera interrupt och flaggor på systemnivå och skicka dem till andra kringkretsar, t.ex. CLB:n.

Snabbare implementering av FOS-motorstyrning med C2000-microcontrollers

Att implementera variabel vridmomentstyrning av en IPM-SynRM med hjälp av vektorstyrning är komplicerat. Beroende på hastigheten och belastningsmomentet måste algoritmen kontrollera differensvinkeln mellan två roterande koordinatsystem. Rotorn kan således elektriskt föregå eller släpa efter det roterande magnetfältet i statorn med upp till ±90° genom fasförskjuten styrning, vilket möjliggör variabel drift mellan RM och PMSM. Den komplexa styrningen av magnetisk flödestäthet och rotorvridmoment kan snabbt implementeras med hjälp av TI:s mjukvaruutvecklingssats för motorstyrning.

Programvaran, som bygger på årtionden av kombinerad expertis, innehåller en fast programvara som körs på C2000-motorstyrningens utvärderingsmoduler (EVM:er) och TI Designs (TID). Två viktiga funktionsbibliotek för vektorstyrning är InstaSPIN-FOC (FOS-motorstyrning utan givare) och DesignDRIVE (FOS-motorstyrning som kräver encoders).

Viktiga funktioner i InstaSPIN-FOS:

• FOS baserad på sensorlöst vridmoment eller hastighet
• Programvaruobservatör för Flux, vinkel, hastighet och vridmoment (FAST) för rotorestimeringar.
• Identifiering av motorparametrar
• Automatisk injustering av observatörs- och vridmomentreglerslingan
• Förstklassig prestanda i situationer med låga hastigheter och hög dynamik

En särskild egenskap hos FOS-reglerslingan är den adaptiva FAST-algoritmen. Detta avgör automatiskt flödestäthet, faktisk vinkel, hastighet och vridmoment från fasspänningarna och -strömmarna (figur 5). Tack vare den automatiska identifieringen av motorparametrarna kan konstruktörerna snabbt integrera en ny motor i systemet och förlita sig på det automatiska systemet för finjustering av reglerslingan.

Figur 5: En särskild egenskap hos FOS-reglerslingan är den adaptiva FAST-algoritmen, som automatiskt känner av flödestäthet, faktisk vinkel, hastighet och vridmoment. (Bildkälla: Texas Instruments)

Viktiga funktioner i DesignDRIVE:

• Sensorerad hastighet eller position-FOS
• Återkoppling av positionen: Resolver, inkrementella och absoluta encoders
• Tekniker för strömavkänning: shunt på lågsida, in-line-sampling av ström och demodulering med Sigma-Delta-filter.
• Snabb strömslinga (FCL): För att uppnå högsta möjliga bandbredd för en given PWM-frekvens i servostyrningstillämpningar
• Exempel på realtidshopkoppling

Applikationsexempel 1: En microcontroller styr framdrivningsväxelriktaren och DC/DC-omvandlaren.

Biltillverkare tenderar att slå ihop de tre distribuerade systemkomponenterna i ett chassi och minimera antalet microcontrollers för att minska systemets kostnad och komplexitet. Detta kräver dock en microcontroller med hög realtidsstyrningskapacitet för att hantera alla tre. För att lösa detta visar TI:s referenskonstruktion TIDM-02009 en kombinationskonstruktion av en växelriktare för el-/hybridfordon och en dubbelriktad DC/DC-omvandlare som styrs av en enda F28388DPTPS-realtids-microcontroller (figur 6).

Figur 6: Endast ett C2000-microcontroller-kort på styrkortet (nere till vänster) styr växelriktaren för framdrivningen (uppe till vänster) och DC/DC-omvandlaren (till höger). (Bildkälla: Texas Instruments)

Växelriktaren för framdrivningen använder en mjukvarubaserad resolver-till-digitalomvandlare (RDC) för att accelerera motorn till en hög hastighet på upp till 20 000 varv per minut (rpm). Effektsteget består av en 6-vägs Wolfspeed CCS050M12CM2-effektmodul baserad på SiC FET:er, som drivs av en TI:s intelligenta gate-drivkrets UCC5870QDWJRQ1. En modern PWM-modul med integrerad lutningskompensation i komparatorns subsystem (CMPSS) genererar PCMC-vågformen. I spänningsavkänningsvägen används TI:s AMC1311QDWVRQ1 extra hög-isoleringsförstärkare med 2 V-ingångar, och i strömavkänningsvägen används TI:s AMC1302QDWVRQ1 precisionsförstärkare med extra hög isolering med ±50 mV-ingångar.

DC/DC-omvandlaren använder PCMC-teknik (peak current mode control) med fasförskjuten helbrygga-topologi (PSFB) och synkron likriktning (SR). Dess dubbelriktade funktion har fördelen att omvandlaren förladdar DC-bussens kondensator, vilket eliminerar behovet av strömbegränsande reläer och seriemotstånd. Den CAN FD-baserade interferensresistenta kommunikationen tillhandahålls av den integrerade transceivermodulen i TCAN4550RGYTQ1-styrenheten.

Applikationsexempel 2: Effektiv dubbelriktad 6,6 kW AC/DC-omvandlare

För relativt hög effekt representerar PMP22650 en GaN FET-baserad referenskonstruktion för en dubbelriktad enfasig AC- och DC-omvandlare med en effekt på 6,6 kilowatt (kW). Den inbyggda laddaren, eller ombordladdaren, kan ladda huvudbatteriet med ström från nätet och omvänt förladda kondensatorerna till likströmslänken. Enheten omvandlar 240 VAC med 28 A på primärsidan till 350 VDC med 19 A på sekundärsidan.

En enda F28388DPTPS-microcontroller styr den tvåfasiga effektfaktorkorrigerade (PFC) länken med totempålstopologi som körs med 120 kHz switchningsfrekvens och en CLLLC-topologi (C = kondensator, L = induktor) med helbrygga följt av synkron likriktning. CLLLC-omvandlaren använder både frekvens- och fasmodulation för reglering av utgången och arbetar med en variabel frekvens från 200 kHz till 800 kHz.

I figur 7 styr det matchande styrkortet TMDSCNCD28388D (mitten) den primära PFC-mellankretsen (vänster) och den sekundära CLLLC-omvandlaren med helbrygga och synkron likriktning (höger). Schemat för denna konstruktion visas i figur 8.

Figur 7: Styrkortet TMDSCNCD28388D (mitten) styr PFC-länken på primärsidan (vänster) och CLLLC-omvandlaren på sekundärsidan med helbrygga och synkron likriktning (höger). (Bildkälla: Texas Instruments)

En verkningsgrad på upp till 96 % vid full effekt och en effektdensitet på 3,8 kW/liter i okapslat utförande möjliggörs genom användning av nyutvecklade, snabba GaN FET-en LMG3522R030-Q1. Effektfaktorn är 0,999 med mindre än 2 % total harmonisk distorsion (THD). Ett alternativ till LMG3522 är LMG3422R030RQZT GaN FET, som också är godkänd för fordonsindustrin, med en switchningsspänning på 600 V och en Rds_(ON) på 30 mOhm. Den integrerar också gatedrivkrets, överbelastningsskydd och temperaturövervakning.

Figur 8: OBC-kretsens topologi består av PFC-mellankretsen (vänster) och sekundärsidans CLLLC-omvandlare med helbrygga och synkron likriktning (höger). (Bildkälla: Texas Instruments)

En speciell egenskap hos denna AC- och DC-omvandlare är HHC, som avsevärt minskar nollövergångsdistorsionen genom att emulera spänningen över resonanskondensatorn. Testresultaten visar också bättre transientrespons, och utformningen av denna styrslinga är också enklare än spänningsstyrning med en enda slinga.

Exemplet med en solcellsväxelriktare visar hur effektivt HHC minskar distorsionen snedvridningen av bryggans switchningstransistorer vid nollgenomgång (figur 9, vänster), vilket eliminerar emissioner och distorsion i elnätet. Den höga THD-kvoten på 7,8 % för den tredje ordningens harmoniska störningar i den sinusformade nätspänningen (figur 9, uppe till höger) minskas till 0,9 % med hjälp av HHC (figur 9, nere till höger).

Figur 9: HHC kan avsevärt minska distorsionen hos bryggans switchingstransistorer vid nollgenomgång (vänster) och därmed eliminera THD. Det höga THD-värdet på 7,8 % för den tredje ordningens harmoniska störningar i den sinusformade linjespänningen (uppe till höger) minskas till 0,9 % (nere till höger) med hjälp av HHC. (Bildkälla: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

Kretskonstruktionen för denna 6,6 kW DC/DC-omvandlare är för övrigt baserad på TI:s referenskonstruktion TIDA-010062, medan C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, som nämndes tidigare, underlättar konstruktionen av sådana effektomvandlare.

Sammanfattning

Texas Instruments C2000-serie med realtidsmicrocontrollers kan hantera nästan alla styrningstillämpningar inom fordonselektronik. Tillämpningen av dessa microcontroller-ekosystem gör det möjligt att utforma system på ett tids- och kostnadseffektivt sätt genom att före ihop och gemensamt styra det som vanligtvis skulle vara distribuerad systemelektronik med hjälp av kraftfulla microcontrollers i realtid.

Som framgår är intelligenta GaN- och SiC-drivkretsar relativt enkla att implementera. Omfattande biblioteksfunktioner och fullt dokumenterade, förcertifierade referenskonstruktioner underlättar implementeringen av effektivare FOS-motorstyrning och HHC-styrning av omvandlare.