利用 C2000 實時 MCU 實現(xiàn)低成本、高能效的 EV 電機電力控制設計

作者：Jens Wallmann

隨著現(xiàn)代電動汽車 （EV） 和混合動力汽車 （HEV）對電力電子技術(shù)的需求迅速增長，設計人員越來越多地面臨幾乎難以克服的困難。動力系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能效和功率密度越高，所需的控制電子裝置越復雜，需要采用能在高開關頻率下實現(xiàn)的高效氮化鎵（GaN） 和碳化硅 （SiC） 技術(shù)。除功能安全外，聯(lián)網(wǎng)車輛還需滿足 IT 級安全要求，并采用固件線上更新 （FOTA） 等系統(tǒng)干預措施。

面對緊張的開發(fā)預算和競爭激烈的最終產(chǎn)品價格，電力電子設計人員最終只能設法簡化系統(tǒng)設計，包括部署更多的集成控制解決方案。

為了幫助應對這些挑戰(zhàn)，本文探討了 Texas Instruments 的 C2000 系列中符合汽車標準的實時微控制器 （MCU）的一些優(yōu)勢，這些微控制器適用于 EV 和 HEV 的驅(qū)動控制和電源轉(zhuǎn)換器。在簡要介紹 F28003x
控制器系列的功能和接口后，本文深入介紹了牽引逆變器中的磁場定向控制 （FOC） 和車載充電器中滯后電流控制的實現(xiàn)。

受控驅(qū)動器和電源轉(zhuǎn)換器的效率更高

當今 EV 和 HEV 性能優(yōu)異，這在很大程度上歸功于驅(qū)動器和電源轉(zhuǎn)換器的電子控制。這些子系統(tǒng)中使用的實時 MCU采用了復雜的控制算法和準確的電機模型，響應速度極快，控制延遲只有幾微秒。如果實時閉環(huán)控制太慢，錯過了規(guī)定的時間窗，控制環(huán)的穩(wěn)定性、精確度和效率就會下降。

為了使用標準庫中的比例積分微分 （PID） 控制器，矢量控制器將三相定子電流系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為二維電流空間矢量來控制磁通密度和轉(zhuǎn)子扭矩?？焖匐娏骰芈罚▓D 1中的藍色箭頭）應實現(xiàn)小于 1 μs 的控制延遲。

結(jié)合快速矢量控制（如 FOC）和高效的內(nèi)部永磁同步磁阻電機 （IPM-SynRM），相比傳統(tǒng)的直流電機（即永磁同步電機，或PMSM），電機驅(qū)動器實現(xiàn)了大扭矩且效率高達 96%。設計人員可以使用 C2000 系列實時 MCU 和 C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK軟件，在 IPM-SynRM 的洛倫茲力和磁阻力之間實現(xiàn)可變扭矩控制，既省時又經(jīng)濟。即使沒有磁鐵或位置傳感器，F(xiàn)OC 也能以高精度控制SynRM，既降低系統(tǒng)成本，也減輕重量，并且電機更耐過載。

AC-DC 電源轉(zhuǎn)換器可用作 EV 車載充電器 （OBC），也可反過來用作光伏逆變器，因此保持電網(wǎng)不受諧波失真的影響至關重要。這種非清潔零電壓開關（ZVS） 可以用電流的混合滯后控制 （HHC） 抵消。這里，開發(fā)人員還可以使用 C2000 MCU，通過應用C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 軟件庫中的高性能控制算法來加速電路設計。

使用 C2000 MCU 簡化 EV 系統(tǒng)設計

為了簡化電力系統(tǒng)設計，Texas Instruments 提供 C2000 系列實時MCU，用于快速實現(xiàn)復雜的電力控制，憑借全面的硬件和軟件開發(fā)環(huán)境，可實現(xiàn)多樣化的靈活控制設計。借助一個 C2000 MCU，汽車設計人員能將動力系統(tǒng)設計為同時處理板載充電器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器，成本減半，實現(xiàn)了更小、更實惠的 EV 動力系統(tǒng)。也可實現(xiàn)諸如HVAC、駕駛輔助系統(tǒng)和燃料電池控制等應用。

系統(tǒng)設計人員可以使用一個強大的 MCU 來控制分布在整車的多個電力電子和系統(tǒng)元器件。TI 網(wǎng)站，特別是 Resource Explorer 和 C2000 Academy，以規(guī)格書、應用說明、評估板、參考設計、培訓視頻和開發(fā)人員論壇的形式為設計人員提供了大量支持。

Texas Instruments 專門針對 F28003x 系列實時控制器進行了適用于 EV 的性能、集成度和成本優(yōu)化，還提供 240 MIPS的處理能力和集成的實時控制外設，電路設計人員無需 FPGA 即可提高其基于F280039CSPZ MCU的電機控制和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度和能效。此外，由于開關頻率更高、磁性元器件更小且冷卻面積要求更低，易于實施的 GaN 和 SiC技術(shù)減少了開關損耗并提高了功率密度。

F28003x 系列支持控制器區(qū)域網(wǎng)絡全雙工 （CAN FD） 通信和多個快速串行接口。384 KB 的集成閃存為實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng) （IoT）功能提供了充足的存儲空間。片上安全功能，如安全啟動、AES 加密引擎、JTAG 鎖和硬件內(nèi)置自檢（HWBIST），可確保聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)干預，如確保實時固件和固件線上更新（FOTA） 的安全，防止被篡改。這些 MCU 符合 ASIL B的要求，并內(nèi)置了功能安全性，加快了應用開發(fā)和必要的上市認證。圖 2 為基本功能和界面概述。

TMDSCNCD280039C，是合適 F280039C 的評估板，非常適合用于測試和原型設計。要使用帶有 HSEC180 排針（180針高速邊緣連接器）的 controlCARD，需要 TMDSHSECDOCK 180 針塢站。

用于定制邏輯的可配置邏輯塊 （CLB）

借助創(chuàng)新的可配置邏輯塊 （CLB），編程人員可將自定義邏輯集成到 C2000 實時控制系統(tǒng)中，無需外部邏輯、FPGA、CPLD 或 ASIC。增加 CLB后，現(xiàn)有的 C2000 外圍模塊，如增強型脈寬度調(diào)制器 （ePWM）、增強型捕獲 （eCAP） 或增強型正交編碼器脈沖（eQEP），可通過客戶特定的信號和功能進行擴展。

邏輯塊通過 C2000 SysConfig 進行配置，可在 C2000Ware 中找到。配置需要 SysConfig 工具，該工具是 TI CodeComposer Studio （CCS） 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 的一部分，也可作為獨立工具與其他 IDE 一起使用（圖 3）。

C2000Ware 軟件和說明文檔包提供廣泛的特定設備驅(qū)動程序、庫和應用示例，并且使用 CLB 擴展外圍設備，可最大限度減少開發(fā)時間。

C2000 嵌入式應用程序的代碼開發(fā)和調(diào)試基于 CCS IDE。該工具集包括一個優(yōu)化的C/C++編譯器、源代碼編輯器、項目構(gòu)建環(huán)境、調(diào)試器、分析器等功能。這種直觀的集成開發(fā)環(huán)境提供單一用戶界面，逐步引導用戶完成應用開發(fā)。熟悉的工具和界面基于Eclipse 軟件框架，有助于用戶快速上手。

時鐘和測試

程序員可以在編程或驗證期間使用嵌入式圖形生成器 （EPG） 來處理簡單的測試場景，而不是使用 CLB 干預復雜的時鐘外設。獨立的 EPG模塊有利于生成定制的脈沖模式 （SIGGEN） 和時鐘信號 （CLOCKGEN），但也可以捕獲和重塑傳入的串行數(shù)據(jù)流或與生成的時鐘信號同步。

要以非侵入式方式對 C2000 實時系統(tǒng)中的 CPU 總線和設備事件進行調(diào)試、監(jiān)測和分析，可使用嵌入式實時分析與診斷（ERAD）。硬件模塊提供了擴展的總線比較器和系統(tǒng)事件計數(shù)器，位于 MCU 總線架構(gòu)內(nèi)（圖 4）。

ERAD 可以獨立生成系統(tǒng)級中斷和標志，并將其送入其他外設，如 CLB。

使用 C2000 MCU 更快地實現(xiàn) FOC 發(fā)動機控制

使用矢量控制來實現(xiàn) IPM-SynRM的可變扭矩控制較為復雜。根據(jù)速度和負載扭矩，該算法必須控制兩個旋轉(zhuǎn)坐標系之間的偏移角。因此，通過移相控制，轉(zhuǎn)子能夠以電氣方式領先或滯后于旋轉(zhuǎn)的定子磁場最多
±90°，允許在 RM 和 PMSM 之間的可變操作。使用 TI 的電機控制軟件開發(fā)工具包可以快速實現(xiàn)對磁通密度和轉(zhuǎn)子扭矩的復雜控制。

該軟件基于幾十年的綜合專業(yè)知識，包含在 C2000 電機控制評估模塊 （EVM） 和 TI 設計 （TID） 上運行的固件。用于矢量控制的兩個關鍵功能庫是InstaSPIN-FOC（無編碼器的 FOC 電機控制）和 DesignDRIVE（需要編碼器 FOC 電機控制）。

InstaSPIN-FOC 的主要特點：

無傳感器扭矩或速度 FOC

用于轉(zhuǎn)子估算的磁通量、角度、速度和扭矩 （FAST） 軟件觀察器

電機參數(shù)識別

觀察器和扭矩控制回路自動調(diào)諧

性能優(yōu)異，適合低速和高動態(tài)應用

FOC 控制回路的一個特點是自適應 FAST 算法。算法將自動從相電壓和電流中確定磁通密度、電流角、速度和扭矩（圖5）。由于可自動識別電機參數(shù)，設計人員可以迅速使新電機啟動和運行，并依靠自動系統(tǒng)對控制回路進行微調(diào)。

DesignDRIVE 的主要特點：

傳感速度或位置 FOC

位置反饋：旋轉(zhuǎn)變壓器、增量編碼器和絕對編碼器

電流檢測技術(shù)：低端分流、串聯(lián)電流采樣和三角積分濾波器解調(diào)

快速電流環(huán) （FCL）：軟件庫經(jīng)過優(yōu)化，充分利用硬件資源加速系統(tǒng)的采樣、處理和執(zhí)行，在伺服控制應用中以給定的 PWM 頻率實現(xiàn)最高控制帶寬

實時連接示例

應用示例 1：一個 MCU 控制牽引逆變器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

汽車制造商傾向于將三種分布式系統(tǒng)元器件合并到一個機箱中，并盡量減少 MCU 的數(shù)量，以降低系統(tǒng)成本和復雜性。然而，這需要具有較高實時控制性能的 MCU來管理這三種元器件。為了解決這個問題，TI 的 TIDM-02009 參考設計展示了一種組合設計，其中包括由一個單一 F28388DPTPS 實時 MCU控制的 EV/HEV 牽引逆變器和雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（圖 6）。

牽引逆變器使用基于軟件的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （RDC） 來驅(qū)動電機，最高可達 20000 轉(zhuǎn)/分鐘 （rpm）。其功率級包括 Wolfspeed 基于 SiCFET 的 CCS050M12CM2 六路電源模塊，由 TI 的UCC5870QDWJRQ1 智能柵極驅(qū)動器驅(qū)動。最先進的 PWM 模塊在比較器子系統(tǒng)（CMPSS） 中集成了斜率補償，可產(chǎn)生 PCMC 波形。電壓傳感路徑使用 TI 的 AMC1311QDWVRQ1 特高隔離放大器，具有 2 V輸入，電流傳感路徑使用 TI 的 AMC1302QDWVRQ1 特高隔離精度放大器，具有 ±50 mV 輸入。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器采用峰值電流模式控制 （PCMC） 技術(shù)，搭載移相全橋拓撲結(jié)構(gòu) （PSFB） 和同步整流 （SR）功能。該轉(zhuǎn)換器具有雙向性，其優(yōu)勢在于，轉(zhuǎn)換器對直流總線電容器進行預充電，無需對繼電器和串聯(lián)電阻限流?；?CAN FD 的抗干擾通信由集成的TCAN4550RGYTQ1 控制器收發(fā)器模塊提供。

應用示例 2：高能效雙向 6.6 kW 交直流轉(zhuǎn)換器

對于相對高功率的輸出，PMP22650 代表基于 GaN FET 的參考設計，用于處理 6.6 kW 功率的雙向單相交直流轉(zhuǎn)換器。充電器 OBC可以用市電電力對牽引電池進行充電，反之，對 DC link 電容器進行預充電。該設備將初級側(cè) 28 A、240 V 交流電轉(zhuǎn)換為次級側(cè) 19 A、350 V直流電。

單個 F28388DPTPS MCU 控制在 120 kHz 開關頻率下運行的兩相圖騰柱功率因數(shù)校正 （PFC） 鏈路，以及全橋 CLLLC（C =電容器，L = 電感器）拓撲，然后進行同步整流。CLLLC 轉(zhuǎn)換器使用頻率和相位調(diào)制進行輸出調(diào)節(jié)，在 200 kHz 至 800 kHz的可變頻率下工作。

圖 7 中，匹配的 TMDSCNCD28388D 控制器卡（中間）控制初級側(cè) PFC 中間電路（左）和具有同步整流功能的次級側(cè)全橋 CLLLC轉(zhuǎn)換器（右）。該設計的原理圖見圖 8。

由于采用新開發(fā)的 LMG3522R030-Q1 高速 GaN FET，全功率下能效高達 96%，開放框架功率密度為 3.8 kW/l。功率因數(shù)為0.999，總諧波失真 （THD） 小于 2%。LMG3522 的替代產(chǎn)品是 LMG3422R030RQZT GaN FET，也適用于汽車，其開關電壓為 600V，Rds（ON） 為 30 mΩ。它還集成了柵極驅(qū)動器、過載保護和溫度監(jiān)測。

該 AC-DC 轉(zhuǎn)換器的特點是具有HHC，它可模擬諧振電容上的電壓，顯著降低過零失真。測試結(jié)果也表明瞬態(tài)響應更快，而且這種控制回路的設計比單回路電壓控制更簡單。

光伏逆變器的示例展示了 HHC 如何有效減少橋式開關晶體管在過零時的失真（圖 9，左），從而消除了輻射發(fā)射和電網(wǎng)上的失真。通過使用HHC，正弦電網(wǎng)電壓上高達 7.8% 的三次諧波 THD（圖 9，右上）降低至 0.9%（圖 9，右下）。

順便提一下，這款 6.6 kW DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電路設計基于 TI 的 TIDA-010062 參考設計，前述
C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 為這種電源轉(zhuǎn)換器的設計提供了便利。

總結(jié)

Texas Instruments 的 C2000 系列實時 MCU 可以處理汽車電力電子方面的幾乎所有控制任務。這些 MCU生態(tài)系統(tǒng)的應用借助強大的實時 MCU 聚合并聯(lián)合控制通常為分布式的系統(tǒng)電子設備，從而以既快速又節(jié)省成本的方式進行系統(tǒng)設計。

如圖所示，智能 GaN 和 SiC 功率驅(qū)動器相對容易實現(xiàn)。廣泛的庫功能和記錄充分且預先認證的參考設計有助于實現(xiàn)更具能效的 FOC 電機控制和轉(zhuǎn)換器HHC 控制。