一種電機(jī)控制專用電路技術(shù)：提高未來電動車能源效率

在今年2月，全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子株式會社（以下簡稱“瑞薩電子”）宣布成功開發(fā)出了一種電機(jī)控制專用電路技術(shù)，可助力車廠滿足更嚴(yán)苛的碳排放標(biāo)準(zhǔn)。

這種新開發(fā)的技術(shù)名為“智能電機(jī)定時(shí)器系統(tǒng)（IMTS）”，是一種可集成于未來電動車和混合動力車微控制器的專用電路模塊。對于在電動車電機(jī)控制中至關(guān)重要的磁場定向控制（FOC）（注1），它的操作時(shí)間僅為0.8微秒（μs），是世界上最快的速率（注2），還不到在相同操作頻率下運(yùn)行的CPU上軟件處理時(shí)間的十分之一。這將有助于開發(fā)具備優(yōu)異能源效率的高速電動車電機(jī)和具有高速開關(guān)性能的逆變器系統(tǒng)。

此外，這種獨(dú)特的電路還可以為汽車動力系統(tǒng)提供功能性安全支持。

近年來，隨著燃料效率方面的要求不斷提高，電動車、混合動力車和插電式混合動力車在汽車市場中所占的份額逐漸擴(kuò)大。為進(jìn)一步提高電動車的應(yīng)用范圍，有必要增強(qiáng)電機(jī)控制的能源效率。

因此，不僅需要對電機(jī)進(jìn)行機(jī)械性改進(jìn)，提升電機(jī)的電子控制單元的功能和性能也十分重要。可用于支持下一代電動車、混合動力車以及插電式混合動力車的電子控制單元需要非常領(lǐng)先的功能和復(fù)雜的控制軟件，而這勢必會大幅增加這些電子控制單元中的微控制器的處理負(fù)荷。與此同時(shí)，為確保在高溫環(huán)境中的高度可靠性，還需要限制汽車微控制器產(chǎn)生的熱量。因此，需要將微控制器的內(nèi)部電路（包括CPU內(nèi)核）的操作頻率保持在相對較低的水平，而這會妨礙其性能的提升。

為滿足上述需求，在微控制器執(zhí)行的眾多電機(jī)控制中，瑞薩電子將IMTS作為靜態(tài)處理的專用電路模塊，因?yàn)樵撎幚磉^程通常需要高反應(yīng)性能，如采集傳感器數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算并輸出控制值等。IMTS獨(dú)立于CPU，可自主運(yùn)行，可顯著降低電機(jī)控制微控制器的CPU負(fù)荷。節(jié)省下來的CPU性能便可以分配至高級電機(jī)控制算法上，從而提高未來電動車、混合動力車和插電式混合動力車的能源效率。

專用電機(jī)控制電路技術(shù)的關(guān)鍵特性：

（1） 開發(fā)靜態(tài)電機(jī)控制處理專用電路模塊和支持獨(dú)立運(yùn)行的電路技術(shù)

電機(jī)控制需要一系列涉及磁場定向控制（FOC）的靜態(tài)處理，在每個(gè)控制周期內(nèi)MCU會采集電機(jī)電流值和角度值在計(jì)算后得出下一周期的控制值；在控制值的基礎(chǔ)上會生成PWM輸出（注3）。當(dāng)多種電機(jī)控制程序同時(shí)運(yùn)行時(shí)，對于以320 MHz頻率運(yùn)行的瑞薩電子40nm汽車MCU，產(chǎn)生的總處理負(fù)荷最高可占到其CPU（注4）性能的90%。新開發(fā)的IMTS是一種支持FOC操作的專用電路模塊，可在很大程度上分擔(dān)CPU的處理負(fù)荷。它以專用電機(jī)控制定時(shí)器電路的形式配置，鏈接緊湊，因此在每個(gè)定時(shí)器電路管理的控制周期中執(zhí)行的一系列處理—從獲取電流值和角度值到PWM信號輸出，均可獨(dú)立于CPU運(yùn)行。

由此便消除了之前本應(yīng)由CPU處理的負(fù)荷，而釋放出來的CPU性能現(xiàn)在則可分配至包含高級控制算法的軟件，提高能源效率。通過為FOC配置專用電路，IMTS可以將操作處理時(shí)間減少至0.8μs，與配置在CPU上的軟件相比，用時(shí)不到其十分之一。對于使用新材料制成的電源設(shè)備，新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的處理性能可滿足具備高速開關(guān)性能的逆變器控制要求（性能示例：100kHz開關(guān)頻率，控制周期10μs），包括使用以碳化硅等新材料制成的電源設(shè)備的逆變器。

（2） 專業(yè)技術(shù)的發(fā)展為汽車動力系統(tǒng)控制提供功能安全保障

汽車動力系統(tǒng)控制必須能夠確保功能安全，以便及時(shí)檢測組件故障，將系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)。這一般是通過使用兩個(gè)微控制器提供系統(tǒng)冗余來實(shí)現(xiàn)，或者也可使用配置內(nèi)部冗余電路的MCU，但后者的成本會相對較高。

新技術(shù)使用的MCU帶有兩個(gè)雙核鎖步配置的CPU，可定期監(jiān)測IMTS電路的內(nèi)部運(yùn)行。該方法不僅可以降低成本，還可以實(shí)現(xiàn)高速控制和功能安全。功能安全會增加CPU的負(fù)荷，但在實(shí)際使用中，僅占CPU總處理能力的2.4%（注5）。

（3） 電路技術(shù)可靈活校正外部傳感器信號誤差

為實(shí)現(xiàn)高精密微控制器精確的處理性能，需要采集高精度的傳感器信號值。但實(shí)際運(yùn)行中卻會有各種原因?qū)е碌腻e誤，例如因傳感器安裝位置引起的誤差。新開發(fā)的IMTS可加載用戶開發(fā)的軟件實(shí)時(shí)校正誤差。此外，IMTS還可以獨(dú)立執(zhí)行該校正處理，不會對CPU造成額外的負(fù)荷。正確的傳感器信號值，可在電機(jī)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)更精確的處理性能和更高的能源效率。

瑞薩電子目前正在測試采用該技術(shù)的40納米MCU原型（帶片上閃存）。它使用真實(shí)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)確認(rèn)真實(shí)系統(tǒng)中的操作。瑞薩電子旨在通過這種專用電機(jī)控制電路技術(shù)為電動車、混合動力車和插電式混合動力車的電子控制單元實(shí)現(xiàn)更高的能源利用效率。

在2017年2月5日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月6日）于加利福尼亞州洛杉磯市舉行的2017年國際固態(tài)電路會議上（ISSCC 2017），瑞薩電子就新技術(shù)發(fā)表了論文。

（注1）磁場定向控制（FOC）是一種廣泛用于電機(jī)控制的基本處理算法，這種電機(jī)控制算法中通常使用復(fù)雜的計(jì)算，包括三角函數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而生成更接近指定控制值的DC信號。

（注2）2017年2月7日，根據(jù)瑞薩電子的研究。

（注3）PWM代表脈沖寬度調(diào)制，該類脈沖信號用于驅(qū)動使用MCU的外部功率設(shè)備。

（注4）預(yù)計(jì)下一代系統(tǒng)將需要12.5μs的控制周期。CPU負(fù)荷的計(jì)算值是基于每個(gè)控制周期中同時(shí)發(fā)生兩個(gè)電機(jī)控制操作（例如，前輪和后輪的驅(qū)動電機(jī)）。

（注5）CPU負(fù)荷的計(jì)算值假設(shè)電機(jī)以100，000rpm的速度運(yùn)行時(shí)，在一個(gè)轉(zhuǎn)動持續(xù)期間檢測到故障。