Utilizarea MCU C2000 în timp real pentru dezvoltarea proiectelor de control al puterii motoarelor vehiculelor electrice cu consum redus de energie și costuri mici

Cerințele tehnice din ce în ce mai mari în ceea ce privește electronica de putere a vehiculelor electrice (VE) și a vehiculelor electrice hibride (VEH) moderne pun din ce în ce mai mult proiectanții în fața unei sarcini aproape insurmontabile. Eficiența energetică și densitatea de putere mai mari ale sistemelor de propulsie și de conversie a energiei necesită o electronică de control mai complexă, care încorporează tehnologii eficiente cu nitrură de galiu (GaN) și carbură de siliciu (SiC) care funcționează la frecvențe de comutare ridicate. Pe lângă siguranța funcțională, vehiculele conectate funcționează și în conformitate cu cerințele de securitate la nivel de IT și aplică intervenții de sistem, cum ar fi actualizările de firmware-over-the-air (FOTA).

Confruntați cu bugete de dezvoltare restrânse și cu prețuri competitive ale produselor finale, proiectanții de electronice de putere trebuie să găsească în cele din urmă modalități de simplificare a proiectării sistemelor, inclusiv implementarea unor soluții de control mai integrate.

Pentru a ajuta la depășirea acestor provocări, acest articol prezintă unele dintre avantajele microcontrolerelor (MCU) în timp real, compatibile cu automobilele, din seria C2000 de la Texas Instruments, care sunt potrivite pentru comenzile de acționare și convertoarele de putere din vehiculele electrice și vehiculele electrice hibride. După o scurtă prezentare generală a funcționalității și a interfeței familiei de controlere F28003x, articolul oferă o perspectivă asupra implementării controlului orientat pe câmp (FOC) în invertorul de tracțiune și a controlului prin histerezis al curentului în încărcătorul de la bord.

Mai multă eficiență pentru comenzi controlate și convertoare de putere

Performanța remarcabilă a vehiculelor electrice și a vehiculelor electrice hibride de astăzi rezultă în mare parte din controlul electronic al comenzilor și al convertoarelor de putere. MCU-urile în timp real utilizate în aceste subsisteme utilizează algoritmi de control complecși și modele de motor precise pentru a răspunde extrem de rapid, cu o întârziere de control de numai câteva microsecunde (µs). În cazul în care controlul în timp real în buclă închisă este prea lent și nu respectă fereastra de timp definită, stabilitatea, precizia și eficiența buclei de control se degradează.

Pentru a permite utilizarea controlerelor proporționale-integrale-derivate (PID) din bibliotecile standard, controlerele vectoriale transformă sistemul de curent trifazat al statorului într-un vector bidimensional în spațiul curentului pentru a controla densitatea fluxului magnetic și cuplul rotorului. O buclă de curent rapidă (săgeata albastră din Figura 1) ar trebui să obțină o întârziere de control mai mică de 1 µs.

Figura 1: pentru un control stabil, un MCU în timp real trebuie să finalizeze toate operațiile aritmetice pentru fiecare trecere a buclei (săgeata albastră) în mai puțin de 1 µs. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Prin combinarea controlului vectorial rapid, cum ar fi FOC, și a unui motor sincron cu reluctanță cu magneți permanenți interni (IPM-SynRM) de eficiență ridicată, comenzile motorului ating cupluri mari și o eficiență de până la 96% în comparație cu motorul clasic de curent continuu (adică motorul sincron cu magneți permanenți sau PMSM). Proiectanții pot implementa controlul variabil al cuplului între forța Lorentz și forța de reluctanță a IPM-SynRM folosind un MCU în timp real din seria C2000 și software-ul C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK într-un mod eficient din punct de vedere al timpului și al costurilor. De asemenea, FOC face posibilă controlarea SynRM-urilor cu precizie ridicată – chiar și fără magneți sau senzori de poziție – economisind costul și greutatea sistemului și făcând motorul mai rezistent la suprasarcini.

În cazul convertoarelor de putere c.a. - c.c. care funcționează ca încărcătoare de bord (OBC) pentru vehicule electrice sau, invers, ca invertoare fotovoltaice, este important ca rețeaua electrică să nu prezinte distorsiuni armonice. Această comutare de tensiune zero (ZVS) necurată poate fi contracarată cu ajutorul controlului hibrid prin histerezis (HHC) al curentului. Aici, dezvoltatorii se pot baza și pe MCU C2000 pentru accelerarea proiectării circuitelor prin aplicarea algoritmilor de control de înaltă performanță din depozitul de software C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK.

Simplificați proiectarea sistemelor vehiculelor electrice utilizând MCU C2000

Pentru a simplifica proiectarea sistemelor de alimentare, Texas Instruments oferă seria C2000 de MCU-uri în timp real pentru implementarea rapidă a comenzilor de alimentare complexe, facilitând proiectarea de diverse comenzi flexibile datorită unui mediu de dezvoltare hardware și software cuprinzător. Un singur MCU C2000 permite proiectanților de vehicule să implementeze sisteme de propulsie mai mici și mai accesibile pentru vehicule electrice cu jumătate din costuri, deoarece sunt proiectate pentru a gestiona simultan încărcătoare de bord, convertoare c.c. - c.c. și invertoare de tracțiune. De asemenea, sunt posibile aplicații precum HVAC, sisteme de asistență pentru șoferi și controlul pilelor de combustie.

Proiectanții de sisteme pot utiliza o singură unitate MCU puternică pentru a controla mai multe componente electronice de putere și de sistem distribuite în tot vehiculul. Site-ul web TI, în special Resource Explorer și C2000 Academy, oferă proiectanților ajutor sub formă de fișe tehnice, note de aplicație, plăci de evaluare, proiecte de referință, videoclipuri de instruire și un forum pentru dezvoltatori.

TI a optimizat familia F28003x de controlere în timp real în ceea ce privește performanța, integrarea și costul, special pentru utilizarea în vehiculele electrice. Oferind o putere de procesare de 240 MIPS și periferice de control în timp real integrate, proiectanții de circuite pot îmbunătăți precizia și eficiența energetică a sistemelor lor de control al motoarelor și de conversie a puterii bazate pe un MCU F280039CSPZ – fără a fi nevoie de un FPGA. În plus, tehnologiile GaN și SiC ușor de implementat reduc pierderile la comutare și cresc densitatea de putere prin frecvențele de comutare mai mari, componentele magnetice mai mici și suprafața de răcire necesară mai mică.

Seria F28003x acceptă comunicații CAN FD (Controller Area Network Full Duplex), precum și mai multe interfețe seriale rapide. O memorie flash integrată de 384 kiloocteți (Kbytes) oferă rezerve ample pentru îndeplinirea funcțiilor din Internetul lucrurilor (IoT) în rețea. Caracteristicile de securitate pe cip, cum ar fi Secure Boot, un motor de criptare AES, blocarea JTAG și autotestarea hardware încorporată (HWBIST) garantează că intervențiile sistemului în rețea, cum ar fi actualizările de firmware live și firmware-over-the-air (FOTA) sunt protejate împotriva manipulării. MCU-urile îndeplinesc cerințele ASIL B și dispun de siguranță funcțională integrată, accelerând atât timpul de dezvoltare a aplicațiilor, cât și certificarea necesară pentru lansarea pe piață. Figura 2 oferă o prezentare generală a funcțiilor și interfețelor esențiale.

Figura 2: schema bloc funcțională a MCU F280039C, care prezintă caracteristici precum procesarea rapidă, opțiuni flexibile de comunicare și detectare și caracteristici de suport pentru securitate, cum ar fi Secure Boot. (Sursa imaginii: Texas-instruments)

Ideală pentru testare și prototipuri, TMDSCNCD280039C este o placă de evaluare adecvată pentru F280039C. Pentru utilizarea acestei plăci controlCARD echipate cu o regletă HSEC180 (conector de margine de mare viteză cu 180 de pini), este nevoie de o stație de andocare TMDSHSECDOCK cu 180 de pini.

Blocuri logice configurabile (CLB) pentru logică personalizată

Blocurile logice configurabile inovatoare (CLB) permit programatorilor să integreze logica personalizată în sistemul de control în timp real C2000, eliminând în același timp logica externă, FPGA-urile, CPLD-urile sau ASIC-urile. Prin adăugarea unui CLB, modulele periferice C2000 existente, cum ar fi modulatorul în lățime a impulsurilor îmbunătățit (ePWM), captura îmbunătățită (eCAP) sau impulsul de codare în cvadratură îmbunătățit (eQEP), pot fi extinse cu semnale și funcții specifice clientului.

Blocurile logice sunt configurate prin intermediul C2000 SysConfig, care este disponibil în cadrul C2000Ware. Aceasta necesită instrumentul SysConfig, care face parte din mediul de dezvoltare integrat (IDE) Code Composer Studio (CCS) al TI sau este disponibil ca instrument individual pentru utilizare cu alte IDE-uri (Figura 3).

Figura 3: CLB-urile facilitează implementarea logicii personalizate în sistemul de control în timp real C2000, eliminând nevoia de logică externă și FPGA-uri. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Pachetul de software și documentație C2000Ware minimizează timpul de dezvoltare prin furnizarea de drivere, biblioteci și exemple de aplicații specifice dispozitivelor, precum și prin extinderea dispozitivelor periferice utilizând CLB-uri.

Baza pentru dezvoltarea codului și depanarea aplicațiilor încorporate C2000 este IDE CCS. Colecția de instrumente include un compilator C/C++ de optimizare, un editor de cod sursă, un mediu de construire a proiectelor, un depanator, un program de profilare și multe alte caracteristici. IDE-ul intuitiv oferă o singură interfață de utilizare care îi ghidează pe utilizatori în fiecare etapă a dezvoltării aplicațiilor. Instrumentele și interfețele familiare bazate pe cadrul software Eclipse contribuie la o inițiere rapidă a utilizatorilor.

Cronometrare și testare

În loc să intervină în periferia complexă a ceasului cu ajutorul CLB-urilor, programatorii pot utiliza Generatorul de modele încorporate (EPG) pentru scenarii de testare simple în timpul programării sau validării. Modulul autonom EPG facilitează generarea de modele de impulsuri personalizate (SIGGEN) și de semnale de ceas (CLOCKGEN), dar poate, de asemenea, să captureze și să remodeleze un flux de date seriale de intrare sau să se sincronizeze cu semnalele de ceas generate.

Pentru depanare și pentru monitorizarea și profilarea evenimentelor critice ale magistralelor CPU și ale dispozitivelor într-un mod neintruziv într-un sistem în timp real C2000, se utilizează Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD). Modulul hardware oferă comparatoare de magistrale extinse și contoare de evenimente de sistem amplasate în arhitectura magistralei MCU (Figura 4).

Figura 4: ERAD oferă comparatoare de magistrale avansate și contoare de evenimente de sistem pentru generarea de întreruperi, se află în arhitectura magistralei MCU și permite depanarea sistemului în timp real într-un mod neintruziv. (Sursă imagine: Texas Instruments)

ERAD poate genera în mod independent întreruperi și semnalizări la nivel de sistem și le poate introduce în alte periferice, cum ar fi CLB.

Implementarea mai rapidă a comenzilor motorului FOC cu MCU C2000

Implementarea controlului cuplului variabil al unui IPM-SynRM cu un control vectorial este complexă. În funcție de turație și de cuplul de sarcină, algoritmul trebuie să controleze unghiul de decalaj între două sisteme de coordonate rotative. Astfel, rotorul poate conduce sau întârzia electric câmpul magnetic rotativ al statorului cu până la ±90° prin controlul cu defazaj, permițând o funcționare variabilă între RM și PMSM. Controlul complex al densității fluxului magnetic și al cuplului rotorului poate fi implementat rapid cu ajutorul kitului de dezvoltare a software-ului de control al motorului de la TI.

Software-ul, bazat pe zeci de ani de expertiză combinată, include un firmware care funcționează pe modulele de evaluare (EVM) pentru controlul motoarelor C2000 și pe proiectele TI (TID). Două biblioteci de funcții cheie pentru controlul vectorial sunt InstaSPIN-FOC (comenzi de motor FOC fără codificatoare) și DesignDRIVE (comenzi de motor FOC care necesită codificatoare).

Principalele caracteristici ale InstaSPIN-FOC:

• Cuplu sau viteză fără senzor FOC
• Observator software de flux, unghi, viteză și cuplu (FAST) pentru estimări ale rotorului
• Identificarea parametrilor motorului
• Acordarea automată a buclei de control a observatorului și a cuplului
• Performanță premium pentru aplicații cu viteză redusă și foarte dinamice

O caracteristică specială a buclei de control FOC este algoritmul adaptiv FAST. Acesta determină în mod automat densitatea fluxului, unghiul curent, viteza și cuplul din tensiunile și curenții de fază (Figura 5). Datorită identificării automate a parametrilor motorului, proiectanții pot pune rapid în funcțiune un nou motor și se pot baza pe sistemul automat pentru reglarea fină a buclei de control.

Figura 5: o caracteristică specială a buclei de control FOC este algoritmul adaptiv FAST, care detectează automat densitatea fluxului, unghiul curent, viteza și cuplul. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Principalele caracteristici ale DesignDRIVE:

• Viteza sau poziția senzorială FOC
• Feedback de poziție: rezolver, codificatoare incrementale și absolute
• Tehnici de detectare a curentului: șunt de joasă tensiune, eșantionare de curent în linie și demodulare cu filtru sigma-delta
• Bucla de curent rapid (FCL): bibliotecă software optimizată care profită din plin de resursele hardware pentru a accelera eșantionarea, procesarea și acționarea sistemului în scopul de a obține cea mai mare lățime de bandă de control pentru o anumită frecvență PWM în aplicațiile de control al servomotoarelor
• Exemple de conectivitate în timp real

Exemplu de aplicație 1: un MCU controlează invertorul de tracțiune și convertorul c.c. - c.c.

Producătorii de automobile tind să unească cele trei componente ale sistemului distribuit într-un singur șasiu și să minimizeze numărul de MCU-uri pentru a reduce costul și complexitatea sistemului. Cu toate acestea, este nevoie de un MCU cu performanțe ridicate de control în timp real pentru a le gestiona pe toate trei. Pentru a rezolva acest aspect, proiectul de referință TIDM-02009 de la TI demonstrează proiectarea combinată a unui invertor de tracțiune pentru vehiculele electrice/vehiculele electrice hibride și a unui convertor c.c. - c.c. bidirecțional controlat de un singur MCU în timp real F28388DPTPS (Figura 6).

Figura 6: o singură placă MCU C2000 pentru placa de control (stânga jos) controlează invertorul de tracțiune (stânga sus) și convertorul c.c. - c.c. (dreapta). (Sursă imagine: Texas Instruments)

Invertorul de tracțiune utilizează un convertor rezolver-digital (RDC) bazat pe software pentru a acționa motorul la o turație ridicată, de până la 20.000 de rotații pe minut (rpm). Etajul de alimentare constă în modulul de alimentare cu șase căi CCS050M12CM2 de la Wolfspeed, bazat pe FET-uri SiC, condus de un driver de poartă inteligent TI UCC5870QDWJRQ1. Un modul PWM de ultimă generație cu compensarea integrată a pantei în subsistemul comparator (CMPSS) generează forma de undă PCMC. Calea de detectare a tensiunii utilizează amplificatoarele de izolare foarte înaltă AMC1311QDWVRQ1 de la TI cu intrări de 2 volți, iar calea de detectare a curentului utilizează amplificatoarele de precizie de izolare foarte înaltă AMC1302QDWVRQ1 de la TI cu intrări de ±50 milivolți (mV).

Convertorul c.c. - c.c. utilizează tehnologia de control al modului de curent de vârf (PCMC) cu topologie de punte completă cu defazaj (PSFB) și rectificare sincronă (SR). Bidirecționalitatea acestuia are avantajul faptului că convertorul preîncarcă condensatorul magistralei de curent continuu, eliminând nevoia de utilizare a releelor de limitare a curentului și a rezistoarelor în serie. Comunicarea rezistentă la interferențe bazată pe CAN FD este asigurată de modulul de emisie-recepție al controlerului integrat TCAN4550RGYTQ1.

Exemplu de aplicație 2: convertor c.a. - c.c. bidirecțional eficient de 6,6 kW

Pentru ieșiri de putere relativ mare, PMP22650 reprezintă un proiect de referință bazat pe GaN FET pentru un convertor c.a. - c.c. monofazat bidirecțional care gestionează o putere de 6,6 kilowați (kW). Încărcătorul OBC poate încărca bateria de tracțiune cu energie de la rețea și, invers, poate preîncărca condensatoarele de legătură c.c. Dispozitivul convertește 240 de volți c.a. la 28 de amperi (A) pe partea primară în 350 de volți c.c. la 19 A pe partea secundară.

Un singur MCU F28388DPTPS controlează legătura cu factor de putere corectat (PFC) cu pol de ieșire în contratimp cu două faze, care funcționează la o frecvență de comutare de 120 kilohertzi (kHz) și o topologie CLLLC (C = condensator, L = inductor) cu punte completă urmată de redresare sincronă. Convertorul CLLLC utilizează atât modulația de frecvență, cât și cea de fază pentru reglarea ieșirii și funcționează la o frecvență variabilă de la 200 kHz la 800 kHz.

În Figura 7, placa controlerului TMDSCNCD28388D (centru) controlează circuitul intermediar PFC de pe partea primară (stânga) și convertorul CLLLC cu punte completă de pe partea secundară cu redresare sincronă (dreapta). Schema acestui proiect este prezentată în Figura 8.

Figura 7: placa controlerului TMDSCNCD28388D (centru) controlează legătura PFC pe partea primară (stânga) și convertorul CLLLC cu punte completă pe partea secundară cu redresare sincronă (dreapta). (Sursă imagine: Texas Instruments)

Eficiența de până la 96% la putere maximă și o densitate de putere în cadru deschis de 3,8 kW/litru sunt posibile prin utilizarea noilor FET-uri GaN de mare viteză LMG3522R030-Q1. Factorul de putere este de 0,999, cu o distorsiune armonică totală (THD) mai mică de 2%. O alternativă la LMG3522 este FET GaN LMG3422R030RQZT , de asemenea calificat pentru automobile, cu o tensiune de comutare de 600 de volți și o valoare R_ds(ON) de 30 miliohmi (mΩ). De asemenea, acesta integrează driverul de poartă, protecția la suprasarcină și monitorizarea temperaturii.

Figura 8: topologia circuitului OBC format din circuitul intermediar PFC (stânga) și din convertoarele CLLLC cu punte completă pe partea secundară cu redresare sincronă (dreapta). (Sursă imagine: Texas Instruments)

O caracteristică specială a acestui convertor c.a. - c.c. este HHC, care reduce semnificativ distorsiunea de trecere prin zero, prin emularea tensiunii pe condensatorul rezonant. Rezultatele testelor arată și un răspuns tranzitoriu mai bun, iar proiectarea acestei bucle de control este, de asemenea, mai simplă decât controlul tensiunii într-o singură buclă.

Exemplul unui invertor fotovoltaic arată cât de eficient reduce HHC distorsiunile tranzistoarelor de comutare a punții la trecerea prin zero (Figura 9, stânga), eliminând astfel emisiile, precum și distorsiunile din rețeaua electrică. THD-ul ridicat de 7,8% al celei de-a treia armonice a tensiunii de rețea sinusoidale (Figura 9, dreapta sus) este redus la 0,9% prin utilizarea HHC (Figura 9, dreapta jos).

Figura 9: HHC poate reduce semnificativ distorsiunea tranzistoarelor de comutare a punții la trecerea prin zero (stânga) și, astfel, poate elimina THD. THD-ul ridicat de 7,8% al celei de-a treia armonice a tensiunii de linie sinusoidale (dreapta sus) este redus la 0,9% (dreapta jos) prin utilizarea HHC. (Sursa imaginii: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

De altfel, proiectarea circuitului acestui convertor c.c. - c.c. de 6,6 kW se bazează pe proiectul de referință TIDA-010062 de la TI, în timp ce C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, menționat anterior, facilitează proiectarea unor astfel de convertoare de putere.

Concluzie

MCU-urile în timp real din seria C2000 de la Texas Instruments pot aborda aproape orice sarcină de control în electronica de putere pentru automobile. Aplicarea acestor ecosisteme de MCU permite proiectarea sistemelor într-un mod rentabil și care durează mai puțin timp, prin agregarea și controlarea în comun a ceea ce ar fi în mod normal un sistem electronic distribuit, utilizând MCU-uri puternice în timp real.

După cum s-a arătat, driverele inteligente de putere GaN și SiC sunt relativ ușor de implementat. Funcționalitatea extinsă a bibliotecii și proiectele de referință precertificate, complet documentate, facilitează implementarea unui control mai eficient al motoarelor FOC și a controlului HHC al convertoarelor.