Gebruik C2000 realtime MCU's om kosten- en energie-efficiënte EV-motorvermogenregelontwerpen te ontwikkelen

De snel toenemende technische eisen aan de vermogenelektronica van moderne elektrische voertuigen (EV's) en hybride EV's (HEV's) stellen ontwerpers steeds vaker voor een bijna onoverkomelijke taak. De hogere energie-efficiëntie en vermogendichtheid van aandrijf- en energieomzettingssystemen vereisen complexere besturingselektronica die gebruik maakt van efficiënte galliumnitride- (GaN) en siliciumcarbidetechnologie (SiC) die werkt met hoge schakelfrequenties. Naast functionele veiligheid gelden voor connected voertuigen ook veiligheidseisen op IT-niveau en worden systeeminterventies toegepast, zoals firmware-over-the-air (FOTA) updates.

Geconfronteerd met krappe ontwikkelingsbudgetten en concurrerende prijzen voor eindproducten, moeten ontwerpers van vermogenselektronica uiteindelijk op zoek naar manieren om het systeemontwerp te vereenvoudigen, onder meer door de toepassing van meer geïntegreerde besturingsoplossingen.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, worden in dit artikel enkele van de voordelen besproken van realtime microcontrollers (MCU's) uit de C2000-serie van Texas Instruments die geschikt zijn voor aandrijvingsbesturingen en vermogenconvertors in EV's en HEV's. Na een kort functioneel en interface-overzicht van de F28003x-regelaarfamilie, geeft het artikel inzicht in de implementatie van veldgeoriënteerde regeling (FOC) in de tractieomvormer, en hysteretische stroomregeling in de onboard lader.

Meer efficiëntie voor geregelde aandrijvingen en vermogenconvertors

De opmerkelijke prestaties van de huidige EV's en HEV's zijn voor een groot deel te danken aan de elektronische regeling in aandrijvingen en vermogenconvertors. Real-time MCU's die in deze subsystemen worden gebruikt, maken gebruik van complexe besturingsalgoritmen en nauwkeurige motormodellen om uiterst snel te reageren, met een besturingsvertraging van slechts enkele microseconden (µs). Als de realtime gesloten-lusregeling te traag is en het vastgestelde tijdvenster mist, verslechteren de stabiliteit, precisie en efficiëntie van de regelkring.

Om het gebruik van proportioneel-integraal-afgeleide (PID) regelaars uit standaardbibliotheken mogelijk te maken, transformeren vectorregelaars het driefasige statorstroomsysteem in een tweedimensionale stroomruimtvector om de magnetische fluxdichtheid en het rotorkoppel te regelen. Een snelle stroomlus (blauwe pijl in Afbeelding 1) moet een regelvertraging van minder dan 1 µs bereiken.

Afbeelding 1: Voor een stabiele regeling moet een realtime MCU alle rekenkundige bewerkingen per lusdoorgang (blauwe pijl) in minder dan 1 µs voltooien. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Door een snelle vectorregeling zoals FOC te combineren met een uiterst efficiënte interne synchrone reluctantiemotor met permanente magneet (IPM-SynRM), bereiken motoraandrijvingen grote koppels en een efficiëntie tot 96% in vergelijking met de klassieke gelijkstroommotor (d.w.z. de synchrone motor met permanente magneet, of PMSM). Ontwerpers kunnen variabele koppelregeling tussen de lorentzkracht en de reluctantiekracht van de IPM-SynRM implementeren met behulp van een realtime MCU uit de C2000-serie en C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK-software op een tijd- en kostenefficiënte manier. FOC maakt het ook mogelijk om SynRM's met hoge precisie aan te sturen, zelfs zonder magneten of positiesensoren, waardoor systeemkosten en gewicht worden bespaard en de motor beter bestand is tegen overbelasting.

Voor AC-DC-vermogenconvertors die werken als onboard laders voor EV's (OBC's), of omgekeerd als fotovoltaïsche omvormers, is het belangrijk om het elektriciteitsnet vrij te houden van harmonische vervorming. Deze onzuivere nulspanningsschakeling (ZVS) kan worden tegengegaan met hybride hysteretische stroomregeling (HHC). Hier kunnen ontwikkelaars ook vertrouwen op C2000 MCU's om het circuitontwerp te versnellen door krachtige besturingsalgoritmen toe te passen uit de C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK-softwarerepository.

Vereenvoudig het ontwerp van EV-systemen met C2000 MCU's

Om het ontwerp van vermogenssystemen te vereenvoudigen, biedt Texas Instruments de C2000-serie realtime MCU's voor een snelle implementatie van complexe vermogensregelingen, waarbij het ontwerp van diverse flexibele regelingen wordt vergemakkelijkt dankzij een uitgebreide hardware- en software-ontwikkelomgeving. Met één enkele C2000 MCU kunnen voertuigontwerpers kleinere, betaalbaardere EV-aandrijflijnen implementeren tegen de helft van de kosten, omdat ze ontworpen zijn om gelijktijdig onboard laders, DC-DC-convertors en tractie-omvormers te verwerken. Ook toepassingen zoals HVAC, rijhulpsystemen en brandstofcelcontrole zijn denkbaar.

Systeemontwerpers kunnen één krachtige MCU gebruiken om meerdere vermogenselektronica en systeemcomponenten in het voertuig aan te sturen. De TI website, met name de Resource Explorer en de C2000 Academy, biedt ontwerpers een schat aan ondersteuning in de vorm van datasheets, toepassingsnotities, evaluatiekaarten, referentieontwerpen, opleidingsvideo's en een ontwikkelaarsforum.

TI heeft de F28003x-familie van realtime regelaars specifiek geoptimaliseerd voor gebruik in EV's op het gebied van prestaties, integratie en kosten. Met 240 MIPS verwerkingsvermogen en geïntegreerde real-time besturingsrandapparatuur kunnen circuitontwerpers de precisie en energie-efficiëntie verbeteren van hun motorbesturings- en energieomzettingssystemen die zijn gebaseerd op een F280039CSPZ MCU, zonder de noodzaak van een FPGA. Bovendien vermindert de gemakkelijk te implementeren GaN- en SiC-technologie de schakelverliezen en verhoogt zij de vermogensdichtheid dankzij hogere schakelfrequenties, kleinere magnetische componenten en een kleiner koeloppervlak.

De F28003x-serie ondersteunt Controller Area Network Full Duplex (CAN FD) communicatie, alsmede diverse snelle seriële interfaces. Een geïntegreerd flashgeheugen van 384 kilobytes (Kbytes) biedt ruime reserves voor de realisatie van genetwerkte Internet of Things (IoT)-functies. Beveiligingsfuncties op de chip, zoals Secure Boot, een AES-encryptie-engine, JTAG-slot en ingebouwde hardwarezelftest (HWBIST), zorgen ervoor dat systeeminterventies via het netwerk, zoals live firmware en firmware-over-the-air (FOTA) updates, beveiligd zijn tegen manipulatie. De MCU's voldoen aan de ASIL B-vereisten en hebben functionele veiligheid ingebouwd, waardoor zowel de ontwikkelingstijd voor toepassingen als de noodzakelijke certificering voor marktintroductie worden versneld. Afbeelding 2 geeft een overzicht van de essentiële functies en interfaces.

Afbeelding 2: Functieblokschema van de F280039C MCU met hoogtepunten zoals snelle verwerking, flexibele communicatie- en detectieopties, en beveiligingsondersteunende functies zoals Secure Boot. (Bron afbeelding: Texas-instruments)

De TMDSCNCD280039C is ideaal voor tests en prototypen en is een geschikt evaluatiebord voor de F280039C. Voor het gebruik van deze controlCARD met een HSEC180-header (180-pins high-speed edge connector) is een TMDSHSECDOCK 180-pins dockingstation vereist.

Configureerbare logische blokken (CLB's) voor aangepaste logica

Innovatieve configureerbare logische blokken (CLB's) stellen programmeurs in staat aangepaste logica in het C2000 real-time besturingssysteem te integreren en externe logica, FPGA's, CPLD's of ASIC's overbodig te maken. Door het toevoegen van een CLB kunnen bestaande C2000 perifere modules zoals enhanced pulse width modulator (ePWM), enhanced capture (eCAP), of enhanced quadrature encoder pulse (eQEP) worden uitgebreid met klantspecifieke signalen en functies.

De logische blokken worden geconfigureerd via C2000 SysConfig, dat beschikbaar is binnen C2000Ware. Hiervoor is het SysConfig-gereedschap vereist, dat deel uitmaakt van de TI Code Composer Studio (CCS) geïntegreerde ontwikkelingsomgeving (IDE) of dat als zelfstandig gereedschap verkrijgbaar is voor gebruik met andere IDE's (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: CLB's maken het eenvoudig om aangepaste logica te implementeren in het C2000 realtime besturingssysteem, waardoor geen externe logica en FPGA's meer nodig zijn. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Het C2000Ware software- en documentatiepakket minimaliseert de ontwikkelingstijd door te voorzien in uitgebreide apparaatspecifieke drivers, bibliotheken en toepassingsvoorbeelden, en door ook perifere apparaten uit te breiden met CLB's.

De basis voor code-ontwikkeling en debugging van C2000 embedded applicaties is CCS IDE. De verzameling gereedschappen omvat een optimaliserende C/C++ compiler, broncode editor, project build omgeving, debugger, profiler, en vele andere functies. De intuïtieve IDE biedt een enkele gebruikersinterface die gebruikers door elke stap van de applicatieontwikkeling leidt. Vertrouwde hulpmiddelen en interfaces op basis van het Eclipse-software framework dragen ertoe bij dat gebruikers snel aan de slag kunnen.

Klokken en testen

In plaats van in te grijpen in de complexe klokperiferie met behulp van CLB's, kunnen programmeurs de Embedded Pattern Generator (EPG) gebruiken voor eenvoudige testscenario's tijdens het programmeren of valideren. De zelfstandige EPG-module maakt het mogelijk eigen pulspatronen (SIGGEN) en kloksignalen (CLOCKGEN) te genereren, maar kan ook een inkomende seriële datastroom opvangen en opnieuw vormgeven of synchroniseren met gegenereerde kloksignalen.

Voor debugging en het bewaken en profileren van kritische CPU-bussen en apparaatgebeurtenissen op een niet-intrusieve manier in een C2000 real-time systeem, wordt Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD) gebruikt. De hardwaremodule biedt uitgebreide busvergelijkers en systeemgebeurtenistellers die in de MCU-busarchitectuur zijn ondergebracht (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: ERAD biedt geavanceerde busvergelijkers en systeemgebeurtenistellers voor het genereren van interrupts, bevindt zich binnen de MCU-busarchitectuur, en maakt debugging van het real-time systeem op een niet-intrusieve manier mogelijk. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

ERAD kan onafhankelijk interrupts en flags op systeemniveau genereren en deze doorspelen naar andere randapparatuur zoals de CLB.

Sneller FOC-motorbesturingen implementeren met C2000 MCU's

De implementatie van de variabele koppelregeling van een IPM-SynRM met behulp van een vectorregeling is complex. Afhankelijk van de snelheid en het belastingskoppel moet het algoritme de offsethoek tussen twee roterende coördinatenstelsels regelen. Aldus kan de rotor het roterende magnetische statorveld elektrisch tot ±90° voorlopen of achterlopen door middel van faseverschoven regeling, waardoor een variabele werking tussen RM en PMSM mogelijk wordt. De complexe regeling van de magnetische fluxdichtheid en het rotorkoppel kan snel worden geïmplementeerd met behulp van TI's Motor Control Software Development Kit.

De software, gebaseerd op decennia van gecombineerde expertise, omvat firmware die draait op C2000 evaluatiemodules voor motorbesturing (EVM's) en TI-ontwerpen (TID's). Twee belangrijke functiebibliotheken voor vectorregeling zijn InstaSPIN-FOC (FOC-motorregelingen zonder encoders) en DesignDRIVE (FOC-motorregelingen die encoders vereisen).

Belangrijkste kenmerken van InstaSPIN-FOC:

• Koppel of snelheid zonder sensor FOC
• Flux, hoek, snelheid en koppel (FAST)-softwarewaarnemer voor rotorschattingen
• Identificatie van motorparameters
• Automatische afstelling van waarnemer en koppelregelkring
• Topprestaties voor lage snelheden en zeer dynamische toepassingen

Een bijzonder kenmerk van de FOC-regelkring is het adaptieve FAST-algoritme. Deze bepaalt automatisch de fluxdichtheid, stroomhoek, snelheid en koppel uit de fasespanningen en -stromen (Afbeelding 5). Dankzij de automatische identificatie van de motorparameters kunnen ontwerpers een nieuwe motor snel in bedrijf stellen en vertrouwen op het automatische systeem voor de fijnafstelling van de regelkring.

Afbeelding 5: Een bijzonder kenmerk van de FOC-regelkring is het adaptieve FAST-algoritme, dat automatisch fluxdichtheid, stroomhoek, snelheid en koppel detecteert. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Belangrijkste kenmerken van DesignDRIVE:

• Gevoelige snelheid of positie FOC
• Positieterugkoppeling: Resolver, incrementele en absolute encoders
• Stroomdetectietechnieken: Low-side shunt, in-line stroom sampling, en sigma-delta filter demodulatie
• Snelle stroomlus (FCL): Geoptimaliseerde softwarebibliotheek die de hardware-bronnen ten volle benut om de bemonstering, verwerking en aansturing van het systeem te versnellen om de hoogste regelbandbreedte te bereiken voor een gegeven PWM-frequentie in servobesturingstoepassingen
• Realtime connectiviteitsvoorbeelden

Toepassingsvoorbeeld 1: Eén MCU bestuurt tractieomvormer en DC-DC-convertor

Autofabrikanten hebben de neiging de drie gedistribueerde systeemcomponenten in één chassis samen te voegen en het aantal MCU's tot een minimum te beperken om de systeemkosten en de complexiteit te verminderen. Dit vereist echter een MCU met hoge realtime controleprestaties om alle drie te beheren. Om dit aan te pakken demonstreert TI's TIDM-02009 referentieontwerp het gecombineerde ontwerp van een EV/HEV-tractieomvormer en een bidirectionele DC-DC-convertor die wordt bestuurd door één enkele F28388DPTPS realtime MCU (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Slechts één C2000 MCU-kaart van de besturingskaart (linksonder) bestuurt de tractieomvormer (linksboven) en de DC-DC-convertor (rechts). (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De tractie-omvormer maakt gebruik van een softwarematige resolver-naar-digitaal-convertor (RDC) om de motor aan te drijven tot een hoge snelheid van maximaal 20.000 omwentelingen per minuut (rpm). De vermogenstrap bestaat uit Wolfspeed's CCS050M12CM2 zes-weg vermogensmodule op basis van SiC FET's, aangestuurd door een TI UCC5870QDWJRQ1 intelligente gatedriver. Een geavanceerde PWM-module met geïntegreerde hellingscorrectie in het comparatorsubsysteem (CMPSS) genereert de PCMC-golfvorm. Het spanningsdetectiepad maakt gebruik van TI's AMC1311QDWVRQ1 extra-high-isolation versterkers met ingangen van 2 volt, en het stroomdetectiepad maakt gebruik van TI's AMC1302QDWVRQ1 extra-high-isolation precisieversterkers met ingangen van ±50 millivolt (mV).

De DC-DC-convertor maakt gebruik van PCMC-technologie (peak current mode control) met een faseverschoven overbruggingstopologie (PSFB) en synchrone gelijkrichting (SR). De bidirectionaliteit heeft het voordeel dat de convertor de DC-buscondensator voorlaadt, waardoor er geen stroombegrenzende relais en serieweerstanden nodig zijn. De op CAN FD gebaseerde storingsbestendige communicatie wordt verzorgd door de geïntegreerde TCAN4550RGYTQ1 regelaar-zendontvangermodule.

Toepassingsvoorbeeld 2: Efficiënte bidirectionele 6,6 kW AC-DC-convertor

Voor relatief hoge vermogens is de PMP22650 een GaN FET-gebaseerd referentieontwerp voor een bidirectionele enkelfasige AC-DC-convertor die 6,6 kilowatt (kW) aan vermogen aankan. De lader OBC kan de tractiebatterij opladen met stroom van het net en, omgekeerd, de tussenkringcondensatoren voorladen. Het apparaat zet 240 volt wisselstroom bij 28 ampère (A) aan primaire zijde om in 350 volt gelijkstroom bij 19 A aan secundaire zijde.

Een enkele F28388DPTPS MCU bestuurt de tweefasige totempool vermogensfactor-gecorrigeerde (PFC) koppeling die werkt met een schakelfrequentie van 120 kilohertz (kHz), en een CLLLC-topologie met volledige brug (C = condensator, L = inductor) gevolgd door synchrone gelijkrichting. De CLLLC-convertor gebruikt zowel frequentie- als fasemodulatie voor de uitgangsregeling, en werkt met een variabele frequentie van 200 kHz tot 800 kHz.

In Afbeelding 7 bestuurt de bijpassende TMDSCNCD28388D-regelaarkaart (midden) de primaire PFC-tussenkring (links) en de secundaire full-bridge CLLLC-convertor met synchrone gelijkrichting (rechts). Het schema van dit ontwerp is afgebeeld in Afbeelding 8.

Afbeelding 7: De TMDSCNCD28388D-regelaarkaart (midden) bestuurt de primaire PFC-verbinding (links) en de secundaire full-bridge CLLLC-convertor met synchrone gelijkrichting (rechts). (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Een rendement tot 96% bij vol vermogen en een open vermogensdichtheid van 3,8 kW/liter worden mogelijk gemaakt door het gebruik van nieuw ontwikkelde LMG3522R030-Q1 high-speed GaN FET's. De vermogensfactor is 0,999 met minder dan 2% totale harmonische vervorming (THD). Een alternatief voor de LMG3522 is de LMG3422R030RQZT GaN FET, ook gekwalificeerd voor auto's, met een schakelspanning van 600 volt en een Rds_(ON ) van 30 milliohms (mΩ). Hij integreert ook de gatedriver, overbelastingsbeveiliging en temperatuurbewaking.

Afbeelding 8: Circuittopologie van de OBC bestaande uit de PFC-tussenkring (links) en de secundaire full-bridge CLLLC-convertors met synchrone gelijkrichting (rechts). (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Een speciaal kenmerk van deze AC-DC-convertor is de HHC, die de nuldoorgangsvervorming aanzienlijk vermindert door de spanning over de resonantiecondensator te emuleren. De testresultaten laten ook een betere transiënte respons zien, en het ontwerp van deze regelkring is ook eenvoudiger dan een spanningsregeling met één enkele regelkring.

Het voorbeeld van een fotovoltaïsche omvormer laat zien hoe effectief HHC de vervorming van de brugschakeltransistoren bij nuldoorgang vermindert (Afbeelding 9, links), waardoor zowel de emissie als de vervorming op het elektriciteitsnet wordt geëlimineerd. De hoge THD van 7,8% van de 3e harmonische op de sinusvormige netspanning (Afbeelding 9, rechtsboven) wordt door het gebruik van HHC teruggebracht tot 0,9% (Afbeelding 9, rechtsonder).

Afbeelding 9: HHC kan de vervorming van de brugschakeltransistoren bij nuldoorgang (links) aanzienlijk verminderen en zo THD elimineren. De hoge THD van 7,8% van de 3e harmonische op de sinusvormige lijnspanning (rechtsboven) wordt gereduceerd tot 0,9% (rechtsonder) door het gebruik van HHC. (Bron afbeelding: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

Overigens is het circuitontwerp van deze 6,6 kW DC-DC-convertor gebaseerd op TI's TIDA-010062-referentieontwerp, terwijl de eerder genoemde C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK het ontwerp van dergelijke vermogenconvertors vergemakkelijkt.

Conclusie

De realtime MCU's van de C2000-serie van Texas Instruments kunnen vrijwel elke besturingstaak in de vermogenselektronica voor auto's aan. De toepassing van deze MCU-ecosystemen maakt het mogelijk om op een tijd- en kostenefficiënte manier systemen te ontwerpen door met krachtige realtime MCU's samen te voegen en gezamenlijk te besturen wat normaal gesproken gedistribueerde systeemelektronica zou zijn.

Zoals aangetoond zijn intelligente GaN- en SiC-vermogendrivers betrekkelijk eenvoudig te implementeren. Uitgebreide bibliotheekfunctionaliteit en volledig gedocumenteerde, vooraf gecertificeerde referentieontwerpen vergemakkelijken de implementatie van efficiëntere FOC-motorregeling en HHC-regeling van convertors.