Költség- és energiahatékony motorteljesítmény szabályozási tervek fejlesztése elektromos járművekhez C2000 valós idejű MCU-k használatával

A modern elektromos járművek és hibrid autók teljesítményelektronikájával szemben támasztott mind komolyabb műszaki követelmények egyre inkább szinte megoldhatatlan feladatok elé állítják a tervezőket. Az erőátviteli és energiaátalakító rendszerek nagyobb energiahatékonysága és teljesítménysűrűsége egyre összetettebb, nagy hatásfokú és nagy kapcsolási frekvencián működő gallium-nitrid (GaN) és szilícium-karbid (SiC) technológiára épülő vezérlőelektronikát igényel. A külső hálózatokhoz is kapcsolódó járművekre a funkcionális biztonság mellett az informatikai biztonsági követelmények is vonatkoznak, valamint ezek esetében külső rendszerbeavatkozások is történnek, mint például a firmware-over-the-air (FOTA) frissítések.

A szűkös fejlesztési költségvetéssel és a megkövetelt versenyképes végtermékárral szembesülve a teljesítményelektronika tervezőinek végső soron szinte csak az marad, hogy módokat keressenek a rendszertervek egyszerűsítésére, ahová beletartozik az integráltabb vezérlési megoldások alkalmazása is.

E problémák megoldásának elősegítéséhez ez a cikk a Texas Instruments C2000 sorozatú, autóipari, valós idejű mikrovezérlők néhány előnyét tárgyalja, amelyek hajtásvezérlésre és teljesítmény-átalakításra alkalmasak elektromos járműveknél és hibrideknél. Az F28003x vezérlőcsalád funkcióinak és interfészeinek rövid áttekintése után a cikk betekintést nyújt a mezőorientált szabályozás (FOC) megvalósításába a hajtásinverterben, valamint a hiszterézises áramszabályozásba a fedélzeti töltőben.

Nagyobb hatásfok a szabályozott hajtások és a teljesítmény-átalakítók esetében

A mai elektromos járművek és hibridek figyelemre méltó teljesítménye nagyrészt annak köszönhető, hogy a hajtások és a teljesítmény-átalakítók vezérlése elektronikusan van megoldva. Az ezekben az alrendszerekben használt valós idejű MCU-k összetett vezérlőalgoritmusokat használnak és pontos motormodellek szerint működnek, hogy rendkívül gyorsan képesek legyenek reagálni, mindössze néhány µs-os szabályozási késéssel. Ha a valós idejű zárt hurkú szabályozás túl lassú, és nem elég gyors ahhoz, hogy a meghatározott időablakon belül maradjon, a szabályozási hurok stabilitása, pontossága és hatékonysága romlik.

Ahhoz, hogy a szabványos könyvtárakból származó PID szabályozókat használni lehessen, a vektoros szabályozók a háromfázisú állórész-áramrendszer értékeit kétdimenziós áramtérvektorrá alakítják át a mágneses fluxus sűrűségének és a rotor nyomatékának szabályozásához. A szabályozási késésnek 1 µs-nál kisebbnek kell lennie ahhoz, hogy egy áramhurok (kék nyíl az 1. ábrán) elég gyors legyen.

1. ábra: A stabil vezérléshez egy valós idejű MCU-nak minden számítási műveletet ciklusonként (kék nyíl) kevesebb mint 1 µs alatt el kell végeznie (kép: Texas Instruments)

A gyors mezőorientált (vektoros) szabályozás, mint amilyen például a FOC és a nagy hatásfokú belső állandómágnessel segített szinkron reluktancia motor (IPM-SynRM) kombinálásával a motorhajtások nagy nyomatékokat és akár 96%-os hatásfokot érnek el a klasszikus egyenáramú motorokhoz (azaz az állandó-mágneses szinkronmotorokhoz, vagy PMSM-ekhez) képest. A tervezők az IPM-SynRM által kifejtett Lorentz-erőnek és elektromágneses (reluktancia) erőnek a nyomatékváltozáson alapuló szabályozását a C2000 sorozatú valós idejű MCU és a C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK szoftver használatával időtakarékosan és költséghatékony módon meg tudják valósítani. A FOC segítségével a szinkron reluktancia motorok (SynRM-ek) nagy pontossággal vezérelhetők (akár mágnesek vagy pozícióérzékelők nélkül is), csökkentve ezzel a rendszer költségeit és súlyát, és ellenállóbbá téve a motort a túlterheléssel szemben.

Az elektromos járművek fedélzeti töltőiként (OBC) vagy éppen fotovoltaikus inverterként működő AC-DC átalakítók esetében fontos, hogy az elektromos hálózat mentes legyen a harmonikus torzításoktól. Ez a nullfeszültség körüli nem tiszta kapcsolás az áram hibrid hiszterézises szabályozásával (hybrid hysteretic control, HHC) ellensúlyozható. A fejlesztők ebben ez esetben is támaszkodhatnak a C2000 MCU-kra, hogy a C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK szoftvertárból származó gyorsműködésű vezérlő algoritmusok alkalmazásával felgyorsítsák az áramkörök tervezését.

Tervezés egyszerűsítése C2000 MCU-kkal elektromos járművek rendszereinek kialakításkor

A villamos rendszerek tervezésének egyszerűsítéséhez a Texas Instruments a C2000 sorozatú valós idejű MCU-kat kínálja a komplex áram- vagy feszültségszabályozási körök gyors megvalósításához, megkönnyítve a különféle rugalmas vezérlések tervezését az átfogó hardver- és szoftverfejlesztési környezetnek köszönhetően. A járműtervezők egyetlen C2000 MCU segítségével kisebb, megfizethetőbb hajtásláncot tudnak megvalósítani az elektromos járműveknél feleannyi költséggel, mivel ezeket a mikrovezérlőket úgy tervezték, hogy egyszerre kezelni tudják a fedélzeti töltőket, a DC-DC átalakítókat és a hajtásinvertereket is. A HVAC, a vezetőtámogató rendszerek és az üzemanyagcella-vezérlés terén történő alkalmazásai is elképzelhetők.

A rendszertervezők számára elegendő egyetlen kiváló képességekkel felruházott MCU-t használni a járműben szétszórtan található több teljesítményelektronikai és rendszerelem vezérlésére. A TI weboldalán a Resource Explorer és a C2000 Academy oldalakon bőséges támogatás áll rendelkezésre adatlapok, felhasználásismertető dokumentumok, fejlesztői kártyák, referenciatervek, oktatóvideók és egy fejlesztői fórum formájában.

A TI az F28003x családba tartozó valós idejű mikrovezérlőket a teljesítmény, az integrálhatóság és a költségek tekintetében kifejezetten az elektromos járművekben való felhasználásra optimalizálta. A 240 MIPS feldolgozási teljesítményt és integrált valós idejű vezérlőperifériákat kínáló F280039CSPZ MCU-n alapuló motorvezérlő és teljesítményátalakító rendszerek pontosságát és energiahatékonyságát az áramkörtervezők FPGA-k nélkül is javíthatják. Emellett a könnyen implementálható GaN és SiC technológiának köszönhetően a kapcsolási veszteségek csökkennek, a teljesítménysűrűség pedig növelhető a magasabb kapcsolási frekvenciák, a kisebb mágneses alkatrészek és a kisebb hűtési területigény következtében.

Az F28003x sorozat tagjai támogatják a Controller Area Network Full Duplex (CAN FD) kommunikációt, valamint számos gyors soros interfészt. A 384 Kbájt beépített flashmemória bőséges tartalék tárhelyet kínál a hálózati Internet of Things (IoT) funkciók megvalósításához. A chipen található biztonsági funkciók, mint például a Secure Boot, az AES titkosítómotor, a JTAG védelem (JTAG lock) és a hardveres beépített önellenőrzés (hardware built-in self-test, HWBIST) biztosítják, hogy a hálózati rendszerbe történő beavatkozások, például az élő firmware és a firmware-over-the-air (FOTA) frissítések védettek legyenek a manipulációval szemben. Az MCU-k megfelelnek az ASIL-B követelményeknek, és beépített funkcionális biztonsággal rendelkeznek, ami felgyorsítja az alkalmazásfejlesztés idejét és a piaci bevezetéshez szükséges tanúsítást. A 2. ábrán az alapvető funkciók és interfészek áttekintése látható.

2. ábra: Az F280039C MCU-k funkcióinak ábrázolása, amelyen láthatók azok kiemelt képességei, mint a gyors adatfeldolgozás, a rugalmas kommunikációs és érzékelési lehetőségek, valamint a biztonságtámogató funkciók, például a Secure Boot (kép: Texas - Instruments)

Teszteléshez és prototípusok készítéséhez ideális a TMDSCNCD280039C, amely egy fejlesztői kártya az F280039C-hez. A HSEC180-as foglalattal (180 kontaktusos nagysebességű bővítőkártya csatlakozóval) rendelkező controlCARD működtetéséhez egy 180 tűs TMDSHSECDOCK fejlesztői platform szükséges.

Általános célú logikai elemek (CLB-k) testreszabott logikához

Az innovatív általános célú logikai elemeknek (configurable logic blocks, CLB) köszönhetően a programozók saját fejlesztésű logikát építhetnek be a C2000 valós idejű vezérlőrendszerébe, miközben a külső logika, az FPGA-k, a CPLD-k vagy az ASIC-ek kiiktathatók. Egy CLB hozzáadásával a meglévő C2000 perifériamodulok, mint például az ePWM (enhanced pulse width modulator), az eCAP (enhanced capture) vagy az eQEP (enhanced quadrature encoder pulse) ügyfélspecifikus jelekkel és funkciókkal bővíthetők.

A logikai blokkok konfigurálása a C2000 SysConfig segítségével történik, amely a C2000Ware szoftvercsomagon belül érhető el. Ehhez a SysConfig-ra van szükség, amely része a TI Code Composer Studio (CCS) integrált fejlesztőkörnyezetének (IDE), vagy más IDE-kkel együtt használható önálló eszközként is elérhető (3. ábra).

3. ábra: A CLB-k megkönnyítik a saját fejlesztésű logika beépítését a C2000 valós idejű vezérlőrendszerébe, így nincs szükség külső logikára és FPGA-kra (kép: Texas Instruments)

A C2000Ware szoftver- és dokumentációs csomag minimalizálja a fejlesztési időt azáltal, hogy nagyszámú eszközspecifikus illesztőprogramokat, könyvtárakat és alkalmazási példákat biztosít, valamint bővíti a perifériás eszközök számát CLB-k használatával.

A C2000-be beágyazott alkalmazások programjainak fejlesztésének és a hibakeresésnek alapja a CCS IDE. Az eszközgyűjtemény tartalmaz egy optimalizáló C/C++ fordítót, forráskód-szerkesztőt, projektépítési környezetet, hibakereső programot, profilozót és számos más funkciót. Az intuitív IDE egységes felhasználói felületet biztosít, amely végigvezeti a felhasználókat az alkalmazásfejlesztés minden lépésén. Az Eclipse szoftverkörnyezetére épülő ismerős eszközök és felületek segítenek az indulásban.

Órajel és tesztelés

Ahelyett, hogy a komplex órajelvezérlő perifériát a CLB-k segítségével manipulálnák, a programozók a programozás vagy a validálás során a beágyazott minta-generátort (Embedded Pattern Generator, EPG) használhatják egyszerű tesztforgatókönyvekhez. Az önálló EPG modul megkönnyíti a saját impulzusminták (SIGGEN) és órajelek (CLOCKGEN) generálását, de képes a bejövő soros adatfolyam rögzítésére és átalakítására, illetve a generált órajelekkel való szinkronizálásra is.

Egy C2000-t tartalmazó valós idejű rendszerben a hibakeresés, valamint a kritikus CPU-buszok és eszközesemények nem beavatkozó módon történő megfigyelése és profilozása a beágyazott valós idejű elemző és diagnosztikai (Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics, ERAD) modul segítségével történik. A hardvermodul bőségesen elegendő számú busz-komparátort és rendszeresemény-számlálót kínál az MCU buszrendszerén belül (4. ábra).

4. ábra: Az ERAD korszerű busz-komparátorokat és rendszeresemény-számlálókat biztosít a megszakítások generálásához. Az MCU buszarchitektúráján belül helyezkedik el, és lehetővé teszi a valós idejű rendszeren belüli hibakeresést nem beavatkozó módon (kép: Texas Instruments)

Az ERAD önállóan képes rendszerszintű megszakításokat és jelzőket (flag) generálni, és azokat más perifériákba, például a CLB-be táplálni.

FOC motorvezérlések gyorsabb megvalósítása C2000 MCU-kkal

Az IPM-SynRM motor nyomatékváltozáson alapuló mezőorientált (vektoros) szabályozásának megvalósítása összetett feladat. A fordulatszámtól és a terhelőnyomatéktól függően az algoritmusnak a két forgó koordinátarendszer közötti eltolási szöget kell szabályoznia. Így a forgórész fáziseltolásos vezérléssel elektromosan akár ±90°-kal is előbb lehet vagy lemaradhat az állórész forgó mágneses mezejéhez képest, lehetővé téve a váltakozást az RM és a PMSM között. A mágneses fluxus sűrűségének és a rotor nyomatékának komplex szabályozása gyorsan megvalósítható a TI Motor Control Software Development Kit fejlesztőkészlete segítségével.

A több évtizedes kombinált szakértelemre épülő szoftverhez olyan firmware párosul, amely a C2000-es motorvezérlők kiértékelő moduljain és a TI referencia kialakításain fut. A mezőorientált szabályozásra vonatkozólag a két legfontosabb funkciókönyvtár az InstaSPIN-FOC (jeladók nélküli FOC motorvezérlés) és a DesignDRIVE (jeladókra épülő FOC motorvezérlés).

Az InstaSPIN-FOC legfontosabb jellemzői:

• Nyomaték vagy sebesség alapú FOC szenzorok nélkül
• Fluxus, szög, sebesség és nyomaték (FAST adatok) szoftveres figyelése a rotorra vonatkozó becslésekhez
• Motorparaméterek azonosítása
• A megfigyelő és nyomatékszabályozó hurok automatikus hangolása
• Prémium teljesítmény alacsony fordulatszámú és nagy dinamikájú alkalmazásokhoz

A FOC szabályozási hurok egyik különleges jellemzője az adaptív FAST algoritmus. Ez automatikusan meghatározza a fázisfeszültségekből és -áramokból a fluxussűrűséget, az áram szögét, a fordulatszámot és a nyomatékot (5. ábra). A motorparaméterek automatikus azonosításának köszönhetően a tervezők egy új motor esetén gyorsan üzembe helyezhetik azt, majd a szabályozási hurok finomhangolásához az automatikus rendszerre hagyatkozhatnak.

5. ábra: A FOC szabályozási hurok különleges jellemzője az adaptív FAST algoritmus, amely automatikusan érzékeli a fluxussűrűséget, az áram szögét, a fordulatszámot és a nyomatékot (kép: Texas Instruments)

A DesignDRIVE legfontosabb jellemzői:

• Szenzoros sebesség- vagy pozícióalapú FOC
• Pozíció visszajelzése: rezolver, inkrementális és abszolút jeladók
• Áramérzékelési módszerek: negatív oldali sönt, soros árammintavételezés és szigma-delta demoduláció
• Gyors áramhurok (fast current loop, FCL): optimalizált szoftverkönyvtár, amelynek köszönhetően teljes mértékben kihasználhatók a hardveres képességek a rendszeradatok mintavételezésének, feldolgozásának és működtetésének felgyorsításához, hogy adott PWM frekvencia mellett a legnagyobb szabályozási sávszélesség legyen elérhető szervovezérlő alkalmazásokban
• Valós idejű csatlakoztatási példák

1. alkalmazási példa: a hajtásinverter és a DC-DC átalakító vezérlése egyetlen MCU-val

Az autógyártók az MCU-k számának minimalizálása és ezzel a rendszerek költségének és összetettségének csökkentése érdekében az osztott rendszer három összetevőjét általában egy szerelvénylapra helyezik. Ehhez azonban egy igen erős valós idejű vezérlési képességű MCU-ra van szükség, amely mindhármat képes kezelni. Ennek megoldására a TI TIDM-02009 referenciaterve egy elektromos vagy hibrid jármű hajtásinverteréből és egy kétirányú DC-DC átalakítóból álló kombinált kialakítást mutat be, amelyeket egyetlen F28388DPTPS valós idejű MCU vezérel (6. ábra).

6. ábra: A vezérlőlap egyetlen C2000 MCU-kártyája (balra lent) vezérli a hajtásinvertert (balra fent) és a DC-DC átalakítót (jobbra) (kép: Texas Instruments)

A hajtásinverter egy szoftveralapú rezolver-digitális átalakítót (RDC-t) használ arra, hogy a motor percenkénti fordulatszámát akár 20 000-re növelje. A teljesítményfokozat a Wolfspeed CCS050M12CM2 hatutas, SiC FET-eken alapuló teljesítménymoduljából áll, amelyet egy TI UCC5870QDWJRQ1 intelligens kapumeghajtó vezérel. A PCMC hullámformát egy integrált meredekség-kompenzációval rendelkező legkorszerűbb PWM modul generálja, amely a komparátor alrendszer (CMPSS) modulon belül található. A feszültségérzékelő útvonal a TI AMC1311QDWVRQ1 jelű 2 voltos bemenetű, extra nagy szigetelésű erősítőit használja, az áramérzékelő útvonal pedig a TI AMC1302QDWVRQ1 ±50 mV bemenetű extra nagy szigetelésű precíziós erősítőit.

A DC-DC átalakító csúcsáram-vezérlési (peak current mode control, PCMC) technológiát használ fáziseltolt teljes híd kapcsolással és szinkron egyenirányítással. Kétirányúságának előnye, hogy az átalakító előre feltölti az egyenáramú busz kondenzátorát, így nincs szükség áramkorlátozó relékre és soros ellenállásokra. A CAN FD-alapú interferenciatűrő kommunikációt az integrált TCAN4550RGYTQ1 vezérlő adó-vevő modul biztosítja.

2. alkalmazási példa: effektív kétirányú 6,6 kW-os AC-DC átalakító

A viszonylag nagy teljesítményű kimenetekhez használható a PMP22650, amely egy GaN FET-alapú referenciaterv egy 6,6 kW teljesítményű kétirányú egyfázisú AC-DC átalakítóhoz. A fedélzeti töltő (OBC) a hálózatról származó energiával töltheti a vontatóakkumulátort, és fordítva, előtöltheti az egyenáramú csatolókondenzátorokat. Az eszköz a primer kapcsokra vezetett 240 V 28 A erősségű váltakozó áramot alakítja át 350 V 19 A erősségű egyenárammá a szekunder oldalon.

Egyetlen F28388DPTPS MCU vezérli a 120 kHz-es kapcsolási frekvencián működő kétfázisú totemoszlop-kapcsolású PFC-áramkört, és egy teljes hidas CLLLC (C = kondenzátor, L = induktor) kapcsolást, amely után szinkron egyenirányítás következik. A CLLLC átalakító a kimeneti szabályozáshoz frekvencia- és fázismodulációt egyaránt használ, és 200 kHz és 800 kHz közötti változó frekvencián működik.

A 7. ábrán a megfelelő TMDSCNCD28388D vezérlőkártya (középen) vezérli a primer oldali köztes PFC áramkört (balra) és a szinkron egyenirányított szekunder oldali teljes híd kapcsolású CLLLC átalakítót (jobbra). Ennek a konstrukciónak az elvi vázlata a 8. ábrán látható.

7. ábra: A TMDSCNCD28388D vezérlőkártya (középen) vezérli a primer oldali PFC-áramkört (balra) és a szinkron egyenirányított szekunder oldali teljes híd kapcsolású CLLLC átalakítót (jobbra) (kép: Texas Instruments)

Az újonnan kifejlesztett LMG3522R030-Q1 nagysebességű GaN FET-ek használatával teljes teljesítmény mellett akár 96%-os hatásfok is elérhető, valamint 3,8 kW/liter teljesítménysűrűség nyitott konstrukció esetén. A teljesítménytényező értéke 0,999, 2%-on aluli teljes harmonikus torzítással (THD). Az LMG3522 alternatívája a szintén autóipari minősítésű LMG3422R030RQZT GaN FET, 600 V kapcsolási feszültséggel és 30 mΩ R_ds(ON) értékkel. Integrált formában tartalmazza a kapumeghajtót, a túlterhelésvédelmet és a hőmérséklet-felügyeletet is.

8. ábra: Az OBC áramköri rajza, amely a köztes PFC áramkörből (balra) és a szinkron egyenirányított szekunder oldali teljes híd kapcsolású CLLLC átalakítókból áll (jobbra) (kép: Texas Instruments)

Ennek az AC-DC átalakítónak a különleges jellemzője a hibrid hiszterézises szabályozás (HHC), amely a rezonáns kondenzátor feszültségének emulálásával jelentősen csökkenti a nullfeszültség-körüli torzítást. A vizsgálati eredmények jobb válaszreakciót is mutatnak tranziensek esetén, és ennek a szabályozási huroknak a kialakítása is egyszerűbb, mint az egyhurkos feszültségszabályozásé.

Egy fotovoltaikus inverter példáján látható, hogy a HHC milyen hatékonyan csökkenti a hídkapcsolás tranzisztorai által okozott torzulást nullpont-átmenetnél (9. ábra, balra), így küszöbölve ki az emissziót és a torzulásokat a villamosenergia-hálózaton. A szinuszos hálózati feszültség 3. felharmonikusának magas, 7,8%-os THD értéke (9. ábra, jobbra fent) a HHC használatával 0,9%-ra csökken (9. ábra, jobbra lent).

9. ábra: A HHC jelentősen csökkentheti a hídkapcsolás tranzisztorai által okozott torzítást nullpont átmenetnél (balra), és így kiküszöbölheti a teljes harmonikus torzítást (THD-t). A szinuszos hálózati feszültség 3. harmonikusának magas, 7,8%-os THD-je (jobbra fent) a HHC használatával 0,9%-ra csökken (jobbra lent) (kép: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

A 6,6 kW-os DC-DC átalakító áramköri kialakítása egyébként a TI TIDA-010062 referenciatervén alapul, a korábban említett C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK pedig megkönnyíti az ilyen teljesítmény-átalakítók tervezését.

Összegzés

A Texas Instruments C2000 sorozatú valós idejű MCU-i szinte bármilyen vezérlési feladatot képesek ellátni az autóipari teljesítményelektronika területén. Ezen MCU-ökoszisztémák használatával a rendszerek tervezése idő- és költséghatékonyan megoldható azáltal, hogy a rendszerek jellemzően elosztott elektronikáját nagy teljesítményű, valós idejű MCU-k segítségével összesítik és egyidejűleg vezérlik.

Amint azt bemutattuk, az intelligens GaN- és SiC-alapú meghajtók viszonylag könnyen megvalósíthatók. A kiterjedt könyvtárfunkciók és a teljes mértékben dokumentált, előre tanúsított referenciatervek megkönnyítik a motorok hatékonyabb FOC-alapú és az átalakítók HHC-alapú vezérlésének megvalósítását.