利用 C2000 实时 MCU 实现低成本、高能效的 EV 电机电力控制设计
发布时间：2022-9-6 09:50
发布者：eechina
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来源：Digi-Key 作者：Jens Wallmann 随着现代电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV) 对电力电子技术的需求迅速增长，设计人员越来越多地面临几乎难以克服的困难。动力系统和能量转换系统的能效和功率密度越高，所需的控制电子装置越复杂，需要采用能在高开关频率下实现的高效氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技术。除功能安全外，联网车辆还需满足 IT 级安全要求，并采用固件线上更新 (FOTA) 等系统干预措施。 面对紧张的开发预算和竞争激烈的最终产品价格，电力电子设计人员最终只能设法简化系统设计，包括部署更多的集成控制解决方案。 为了帮助应对这些挑战，本文探讨了 Texas Instruments 的 C2000 系列中符合汽车标准的实时微控制器 (MCU) 的一些优势，这些微控制器适用于 EV 和 HEV 的驱动控制和电源转换器。在简要介绍 F28003x 控制器系列的功能和接口后，本文深入介绍了牵引逆变器中的磁场定向控制 (FOC) 和车载充电器中滞后电流控制的实现。 受控驱动器和电源转换器的效率更高 当今 EV 和 HEV 性能优异，这在很大程度上归功于驱动器和电源转换器的电子控制。这些子系统中使用的实时 MCU 采用了复杂的控制算法和准确的电机模型，响应速度极快，控制延迟只有几微秒。如果实时闭环控制太慢，错过了规定的时间窗，控制环的稳定性、精确度和效率就会下降。 为了使用标准库中的比例积分微分 (PID) 控制器，矢量控制器将三相定子电流系统转化为二维电流空间矢量来控制磁通密度和转子扭矩。快速电流回路（图 1 中的蓝色箭头）应实现小于 1 μs 的控制延迟。 
图 1：为了实现稳定的控制，实时 MCU 必须在 1 μs 内完成每个循环通道（蓝色箭头）的所有算术运算。（图片来源：Texas Instruments） 结合快速矢量控制（如 FOC）和高效的内部永磁同步磁阻电机 (IPM-SynRM)，相比传统的直流电机（即永磁同步电机，或 PMSM），电机驱动器实现了大扭矩且效率高达 96%。设计人员可以使用 C2000 系列实时 MCU 和 C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK 软件，在 IPM-SynRM 的洛伦兹力和磁阻力之间实现可变扭矩控制，既省时又经济。即使没有磁铁或位置传感器，FOC 也能以高精度控制 SynRM，既降低系统成本，也减轻重量，并且电机更耐过载。 AC-DC 电源转换器可用作 EV 车载充电器 (OBC)，也可反过来用作光伏逆变器，因此保持电网不受谐波失真的影响至关重要。这种非清洁零电压开关 (ZVS) 可以用电流的混合滞后控制 (HHC) 抵消。这里，开发人员还可以使用 C2000 MCU，通过应用 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 软件库中的高性能控制算法来加速电路设计。 使用 C2000 MCU 简化 EV 系统设计 为了简化电力系统设计，Texas Instruments 提供 C2000 系列实时 MCU，用于快速实现复杂的电力控制，凭借全面的硬件和软件开发环境，可实现多样化的灵活控制设计。借助一个 C2000 MCU，汽车设计人员能将动力系统设计为同时处理板载充电器、DC-DC 转换器和牵引逆变器，成本减半，实现了更小、更实惠的 EV 动力系统。也可实现诸如 HVAC、驾驶辅助系统和燃料电池控制等应用。 系统设计人员可以使用一个强大的 MCU 来控制分布在整车的多个电力电子和系统元器件。TI 网站，特别是 Resource Explorer 和 C2000 Academy，以规格书、应用说明、评估板、参考设计、培训视频和开发人员论坛的形式为设计人员提供了大量支持。 Texas Instruments 专门针对 F28003x 系列实时控制器进行了适用于 EV 的性能、集成度和成本优化，还提供 240 MIPS 的处理能力和集成的实时控制外设，电路设计人员无需 FPGA 即可提高其基于 F280039CSPZ MCU 的电机控制和电源转换系统的精度和能效。此外，由于开关频率更高、磁性元器件更小且冷却面积要求更低，易于实施的 GaN 和 SiC 技术减少了开关损耗并提高了功率密度。 F28003x 系列支持控制器区域网络全双工 (CAN FD) 通信和多个快速串行接口。384 KB 的集成闪存为实现联网的物联网 (IoT) 功能提供了充足的存储空间。片上安全功能，如安全启动、AES 加密引擎、JTAG 锁和硬件内置自检 (HWBIST)，可确保联网的系统干预，如确保实时固件和固件线上更新 (FOTA) 的安全，防止被篡改。这些 MCU 符合 ASIL B 的要求，并内置了功能安全性，加快了应用开发和必要的上市认证。图 2 为基本功能和界面概述。 
图 2：F280039C MCU 的功能框图，显示了其亮点，如快速处理、灵活的通信和传感选项以及安全启动等安全支持功能。（图片来源：Texas-instruments） TMDSCNCD280039C，是合适 F280039C 的评估板，非常适合用于测试和原型设计。要使用带有 HSEC180 排针（180 针高速边缘连接器）的 controlCARD，需要 TMDSHSECDOCK 180 针坞站。 用于定制逻辑的可配置逻辑块 (CLB) 借助创新的可配置逻辑块 (CLB)，编程人员可将自定义逻辑集成到 C2000 实时控制系统中，无需外部逻辑、FPGA、CPLD 或 ASIC。增加 CLB 后，现有的 C2000 外围模块，如增强型脉宽度调制器 (ePWM)、增强型捕获 (eCAP) 或增强型正交编码器脉冲 (eQEP)，可通过客户特定的信号和功能进行扩展。 逻辑块通过 C2000 SysConfig 进行配置，可在 C2000Ware 中找到。配置需要 SysConfig 工具，该工具是 TI Code Composer Studio (CCS) 集成开发环境 (IDE) 的一部分，也可作为独立工具与其他 IDE 一起使用（图 3）。 
图 3：通过 CLB，可以在 C2000 实时控制系统中轻松实现自定义逻辑，无需外部逻辑和 FPGA。（图片来源：Texas Instruments） C2000Ware 软件和说明文档包提供广泛的特定设备驱动程序、库和应用示例，并且使用 CLB 扩展外围设备，可最大限度减少开发时间。 C2000 嵌入式应用程序的代码开发和调试基于 CCS IDE。该工具集包括一个优化的 C/C++编译器、源代码编辑器、项目构建环境、调试器、分析器等功能。这种直观的集成开发环境提供单一用户界面，逐步引导用户完成应用开发。熟悉的工具和界面基于 Eclipse 软件框架，有助于用户快速上手。 时钟和测试 程序员可以在编程或验证期间使用嵌入式图形生成器 (EPG) 来处理简单的测试场景，而不是使用 CLB 干预复杂的时钟外设。独立的 EPG 模块有利于生成定制的脉冲模式 (SIGGEN) 和时钟信号 (CLOCKGEN)，但也可以捕获和重塑传入的串行数据流或与生成的时钟信号同步。 要以非侵入式方式对 C2000 实时系统中的 CPU 总线和设备事件进行调试、监测和分析，可使用嵌入式实时分析与诊断 (ERAD)。硬件模块提供了扩展的总线比较器和系统事件计数器，位于 MCU 总线架构内（图 4）。 
图 4：ERAD 提供先进的总线比较器和系统事件计数器，用于中断生成，驻留在 MCU 总线架构内，能以非侵入式方式调试实时系统。（图片来源：Texas Instruments） ERAD 可以独立生成系统级中断和标志，并将其送入其他外设，如 CLB。 使用 C2000 MCU 更快地实现 FOC 发动机控制 使用矢量控制来实现 IPM-SynRM 的可变扭矩控制较为复杂。根据速度和负载扭矩，该算法必须控制两个旋转坐标系之间的偏移角。因此，通过移相控制，转子能够以电气方式领先或滞后于旋转的定子磁场最多 ±90°，允许在 RM 和 PMSM 之间的可变操作。使用 TI 的电机控制软件开发工具包可以快速实现对磁通密度和转子扭矩的复杂控制。 该软件基于几十年的综合专业知识，包含在 C2000 电机控制评估模块 (EVM) 和 TI 设计 (TID) 上运行的固件。用于矢量控制的两个关键功能库是 InstaSPIN-FOC（无编码器的 FOC 电机控制）和 DesignDRIVE（需要编码器 FOC 电机控制）。 InstaSPIN-FOC 的主要特点： · 无传感器扭矩或速度 FOC · 用于转子估算的磁通量、角度、速度和扭矩 (FAST) 软件观察器 · 电机参数识别 · 观察器和扭矩控制回路自动调谐 · 性能优异，适合低速和高动态应用 FOC 控制回路的一个特点是自适应 FAST 算法。算法将自动从相电压和电流中确定磁通密度、电流角、速度和扭矩（图 5）。由于可自动识别电机参数，设计人员可以迅速使新电机启动和运行，并依靠自动系统对控制回路进行微调。 
图 5：FOC 控制回路的一个特点是自适应 FAST 算法，它可以自动检测磁通密度、电流角、速度和扭矩。（图片来源：Texas Instruments） DesignDRIVE 的主要特点： · 传感速度或位置 FOC · 位置反馈：旋转变压器、增量编码器和绝对编码器 · 电流检测技术：低端分流、串联电流采样和三角积分滤波器解调 · 快速电流环 (FCL)：软件库经过优化，充分利用硬件资源加速系统的采样、处理和执行，在伺服控制应用中以给定的 PWM 频率实现最高控制带宽 · 实时连接示例 应用示例 1：一个 MCU 控制牵引逆变器和 DC-DC 转换器 汽车制造商倾向于将三种分布式系统元器件合并到一个机箱中，并尽量减少 MCU 的数量，以降低系统成本和复杂性。然而，这需要具有较高实时控制性能的 MCU 来管理这三种元器件。为了解决这个问题，TI 的 TIDM-02009 参考设计展示了一种组合设计，其中包括由一个单一 F28388DPTPS 实时 MCU 控制的 EV/HEV 牵引逆变器和双向 DC-DC 转换器（图 6）。 
图 6：只有一块控制板 C2000 MCU 卡（左下）控制牵引逆变器（左上）和 DC-DC 转换器（右）。（图片来源：Texas Instruments） 牵引逆变器使用基于软件的轴角数字转换器 (RDC) 来驱动电机，最高可达 20000 转/分钟 (rpm)。其功率级包括 Wolfspeed 基于 SiC FET 的 CCS050M12CM2 六路电源模块，由 TI 的 UCC5870QDWJRQ1 智能栅极驱动器驱动。最先进的 PWM 模块在比较器子系统 (CMPSS) 中集成了斜率补偿，可产生 PCMC 波形。电压传感路径使用 TI 的 AMC1311QDWVRQ1 特高隔离放大器，具有 2 V 输入，电流传感路径使用 TI 的 AMC1302QDWVRQ1 特高隔离精度放大器，具有 ±50 mV 输入。 DC-DC 转换器采用峰值电流模式控制 (PCMC) 技术，搭载移相全桥拓扑结构 (PSFB) 和同步整流 (SR) 功能。该转换器具有双向性，其优势在于，转换器对直流总线电容器进行预充电，无需对继电器和串联电阻限流。基于 CAN FD 的抗干扰通信由集成的 TCAN4550RGYTQ1 控制器收发器模块提供。 应用示例 2：高能效双向 6.6 kW 交直流转换器 对于相对高功率的输出，PMP22650 代表基于 GaN FET 的参考设计，用于处理 6.6 kW 功率的双向单相交直流转换器。充电器 OBC 可以用市电电力对牵引电池进行充电，反之，对 DC link 电容器进行预充电。该设备将初级侧 28 A、240 V 交流电转换为次级侧 19 A、350 V 直流电。 单个 F28388DPTPS MCU 控制在 120 kHz 开关频率下运行的两相图腾柱功率因数校正 (PFC) 链路，以及全桥 CLLLC（C = 电容器，L = 电感器）拓扑，然后进行同步整流。CLLLC 转换器使用频率和相位调制进行输出调节，在 200 kHz 至 800 kHz 的可变频率下工作。 图 7 中，匹配的 TMDSCNCD28388D 控制器卡（中间）控制初级侧 PFC 中间电路（左）和具有同步整流功能的次级侧全桥 CLLLC 转换器（右）。该设计的原理图见图 8。 
图 7：TMDSCNCD28388D 控制器卡（中间）控制初级侧 PFC 链路（左）和具有同步整流功能的次级侧全桥 CLLLC 转换器（右）。（图片来源：Texas Instruments） 由于采用新开发的 LMG3522R030-Q1 高速 GaN FET，全功率下能效高达 96%，开放框架功率密度为 3.8 kW/l。功率因数为 0.999，总谐波失真 (THD) 小于 2%。LMG3522 的替代产品是 LMG3422R030RQZT GaN FET，也适用于汽车，其开关电压为 600 V，Rds(ON) 为 30 mΩ。它还集成了栅极驱动器、过载保护和温度监测。 
图 8：OBC 的电路拓扑结构，包括 PFC 中间电路（左）和具有同步整流功能的次级侧全桥 CLLLC 转换器（右）。（图片来源：Texas Instruments） 该 AC-DC 转换器的特点是具有 HHC，它可模拟谐振电容上的电压，显著降低过零失真。测试结果也表明瞬态响应更快，而且这种控制回路的设计比单回路电压控制更简单。 光伏逆变器的示例展示了 HHC 如何有效减少桥式开关晶体管在过零时的失真（图 9，左），从而消除了辐射发射和电网上的失真。通过使用 HHC，正弦电网电压上高达 7.8% 的三次谐波 THD（图 9，右上）降低至 0.9%（图 9，右下）。 
图 9：HHC 可以显著降低桥式开关晶体管在过零时的失真（左），从而消除 THD。通过使用 HHC，正弦线路电压上高达 7.8% 的三次谐波 THD（右上）降低至 0.9%（右下）。（图片来源：ietresearch.onlinelibrary.wiley.com） 顺便提一下，这款 6.6 kW DC-DC 转换器的电路设计基于 TI 的 TIDA-010062 参考设计，前述 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 为这种电源转换器的设计提供了便利。 总结 Texas Instruments 的 C2000 系列实时 MCU 可以处理汽车电力电子方面的几乎所有控制任务。这些 MCU 生态系统的应用借助强大的实时 MCU 聚合并联合控制通常为分布式的系统电子设备，从而以既快速又节省成本的方式进行系统设计。 如图所示，智能 GaN 和 SiC 功率驱动器相对容易实现。广泛的库功能和记录充分且预先认证的参考设计有助于实现更具能效的 FOC 电机控制和转换器 HHC 控制。 |
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