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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jens Wallmann 隨著(zhù)現代電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 對電力電子技術(shù)的需求迅速增長(cháng)，設計人員越來(lái)越多地面臨幾乎難以克服的困難。動(dòng)力系統和能量轉換系統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(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現的高效氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技術(shù)。除功能安全外，聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛還需滿(mǎn)足 IT 級安全要求，并采用固件線(xiàn)上更新 (FOTA) 等系統干預措施。 面對緊張的開(kāi)發(fā)預算和競爭激烈的最終產(chǎn)品價(jià)格，電力電子設計人員最終只能設法簡(jiǎn)化系統設計，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，本文探討了 Texas Instruments 的 C2000 系列中符合汽車(chē)標準的實(shí)時(shí)微控制器 (MCU) 的一些優(yōu)勢，這些微控制器適用于 EV 和 HEV 的驅動(dòng)控制和電源轉換器。在簡(jiǎn)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(chǎng)定向控制 (FOC) 和車(chē)載充電器中滯后電流控制的實(shí)現。 受控驅動(dòng)器和電源轉換器的效率更高 當今 EV 和 HEV 性能優(yōu)異，這在很大程度上歸功于驅動(dòng)器和電源轉換器的電子控制。這些子系統中使用的實(shí)時(shí) 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(shí)時(shí)閉環(huán)控制太慢，錯過(guò)了規定的時(shí)間窗，控制環(huán)的穩定性、精確度和效率就會(huì )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轉化為二維電流空間矢量來(lái)控制磁通密度和轉子扭矩�？焖匐娏骰芈罚▓D 1 中的藍色箭頭）應實(shí)現小于 1 μs 的控制延遲。 
圖 1：為了實(shí)現穩定的控制，實(shí)時(shí) MCU 必須在 1 μs 內完成每個(gè)循環(huán)通道（藍色箭頭）的所有算術(shù)運算。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 結合快速矢量控制（如 FOC）和高效的內部永磁同步磁阻電機 (IPM-SynRM)，相比傳統的直流電機（即永磁同步電機，或 PMSM），電機驅動(dòng)器實(shí)現了大扭矩且效率高達 96%。設計人員可以使用 C2000 系列實(shí)時(shí) MCU 和 C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK 軟件，在 IPM-SynRM 的洛倫茲力和磁阻力之間實(shí)現可變扭矩控制，既省時(shí)又經(jīng)濟。即使沒(méi)有磁鐵或位置傳感器，FOC 也能以高精度控制 SynRM，既降低系統成本，也減輕重量，并且電機更耐過(guò)載。 AC-DC 電源轉換器可用作 EV 車(chē)載充電器 (OBC)，也可反過(guò)來(lái)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(guān)重要。這種非清潔零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 可以用電流的混合滯后控制 (HHC) 抵消。這里，開(kāi)發(fā)人員還可以使用 C2000 MCU，通過(guò)應用 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 軟件庫中的高性能控制算法來(lái)加速電路設計。 使用 C2000 MCU 簡(jiǎn)化 EV 系統設計 為了簡(jiǎn)化電力系統設計，Texas Instruments 提供 C2000 系列實(shí)時(shí) MCU，用于快速實(shí)現復雜的電力控制，憑借全面的硬件和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，可實(shí)現多樣化的靈活控制設計。借助一個(gè) C2000 MCU，汽車(chē)設計人員能將動(dòng)力系統設計為同時(shí)處理板載充電器、DC-DC 轉換器和牽引逆變器，成本減半，實(shí)現了更小、更實(shí)惠的 EV 動(dòng)力系統。也可實(shí)現諸如 HVAC、駕駛輔助系統和燃料電池控制等應用。 系統設計人員可以使用一個(gè)強大的 MCU 來(lái)控制分布在整車(chē)的多個(gè)電力電子和系統元器件。TI 網(wǎng)站，特別是 Resource Explorer 和 C2000 Academy，以規格書(shū)、應用說(shuō)明、評估板、參考設計、培訓視頻和開(kāi)發(fā)人員論壇的形式為設計人員提供了大量支持。 Texas Instruments 專(zhuān)門(mén)針對 F28003x 系列實(shí)時(shí)控制器進(jìn)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(shí)時(shí)控制外設，電路設計人員無(wú)需 FPGA 即可提高其基于 F280039CSPZ MCU 的電機控制和電源轉換系統的精度和能效。此外，由于開(kāi)關(guān)頻率更高、磁性元器件更小且冷卻面積要求更低，易于實(shí)施的 GaN 和 SiC 技術(shù)減少了開(kāi)關(guān)損耗并提高了功率密度。 F28003x 系列支持控制器區域網(wǎng)絡(luò )全雙工 (CAN FD) 通信和多個(gè)快速串行接口。384 KB 的集成閃存為實(shí)現聯(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(dòng)、AES 加密引擎、JTAG 鎖和硬件內置自檢 (HWBIST)，可確保聯(lián)網(wǎng)的系統干預，如確保實(shí)時(shí)固件和固件線(xiàn)上更新 (FOTA) 的安全，防止被篡改。這些 MCU 符合 ASIL B 的要求，并內置了功能安全性，加快了應用開(kāi)發(fā)和必要的上市認證。圖 2 為基本功能和界面概述。
圖 2：F280039C MCU 的功能框圖，顯示了其亮點(diǎn)，如快速處理、靈活的通信和傳感選項以及安全啟動(dòng)等安全支持功能。（圖片來(lái)源：Texas-instruments） 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(shí)時(shí)控制系統中，無(wú)需外部邏輯、FPGA、CPLD 或 ASIC。增加 CLB 后，現有的 C2000 外圍模塊，如增強型脈寬度調制器 (ePWM)、增強型捕獲 (eCAP) 或增強型正交編碼器脈沖 (eQEP)，可通過(guò)客戶(hù)特定的信號和功能進(jìn)行擴展。 邏輯塊通過(guò) C2000 SysConfig 進(jìn)行配置，可在 C2000Ware 中找到。配置需要 SysConfig 工具，該工具是 TI Code Composer Studio (CCS) 集成開(kāi)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）。
圖 3：通過(guò) CLB，可以在 C2000 實(shí)時(shí)控制系統中輕松實(shí)現自定義邏輯，無(wú)需外部邏輯和 FPGA。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） C2000Ware 軟件和說(shuō)明文檔包提供廣泛的特定設備驅動(dòng)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(kāi)發(fā)時(shí)間。 C2000 嵌入式應用程序的代碼開(kāi)發(fā)和調試基于 CCS IDE。該工具集包括一個(gè)優(yōu)化的 C/C++編譯器、源代碼編輯器、項目構建環(huán)境、調試器、分析器等功能。這種直觀(guān)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供單一用戶(hù)界面，逐步引導用戶(hù)完成應用開(kāi)發(fā)。熟悉的工具和界面基于 Eclipse 軟件框架，有助于用戶(hù)快速上手。 時(shí)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(lái)處理簡(jiǎn)單的測試場(chǎng)景，而不是使用 CLB 干預復雜的時(shí)鐘外設。獨立的 EPG 模塊有利于生成定制的脈沖模式 (SIGGEN) 和時(shí)鐘信號 (CLOCKGEN)，但也可以捕獲和重塑傳入的串行數據流或與生成的時(shí)鐘信號同步。 要以非侵入式方式對 C2000 實(shí)時(shí)系統中的 CPU 總線(xiàn)和設備事件進(jìn)行調試、監測和分析，可使用嵌入式實(shí)時(shí)分析與診斷 (ERAD)。硬件模塊提供了擴展的總線(xiàn)比較器和系統事件計數器，位于 MCU 總線(xiàn)架構內（圖 4）。
圖 4：ERAD 提供先進(jìn)的總線(xiàn)比較器和系統事件計數器，用于中斷生成，駐留在 MCU 總線(xiàn)架構內，能以非侵入式方式調試實(shí)時(shí)系統。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） ERAD 可以獨立生成系統級中斷和標志，并將其送入其他外設，如 CLB。 使用 C2000 MCU 更快地實(shí)現 FOC 發(fā)動(dòng)機控制 使用矢量控制來(lái)實(shí)現 IPM-SynRM 的可變扭矩控制較為復雜。根據速度和負載扭矩，該算法必須控制兩個(gè)旋轉坐標系之間的偏移角。因此，通過(guò)移相控制，轉子能夠以電氣方式領(lǐng)先或滯后于旋轉的定子磁場(chǎng)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(kāi)發(fā)工具包可以快速實(shí)現對磁通密度和轉子扭矩的復雜控制。 該軟件基于幾十年的綜合專(zhuān)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(gè)關(guān)鍵功能庫是 InstaSPIN-FOC（無(wú)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(diǎn)： · 無(wú)傳感器扭矩或速度 FOC · 用于轉子估算的磁通量、角度、速度和扭矩 (FAST) 軟件觀(guān)察器 · 電機參數識別 · 觀(guān)察器和扭矩控制回路自動(dòng)調諧 · 性能優(yōu)異，適合低速和高動(dòng)態(tài)應用 FOC 控制回路的一個(gè)特點(diǎn)是自適應 FAST 算法。算法將自動(dòng)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(dòng)識別電機參數，設計人員可以迅速使新電機啟動(dòng)和運行，并依靠自動(dòng)系統對控制回路進(jìn)行微調。
圖 5：FOC 控制回路的一個(gè)特點(diǎn)是自適應 FAST 算法，它可以自動(dòng)檢測磁通密度、電流角、速度和扭矩。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） DesignDRIVE 的主要特點(diǎn)： · 傳感速度或位置 FOC · 位置反饋：旋轉變壓器、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 · 快速電流環(huán) (FCL)：軟件庫經(jīng)過(guò)優(yōu)化，充分利用硬件資源加速系統的采樣、處理和執行，在伺服控制應用中以給定的 PWM 頻率實(shí)現最高控制帶寬 · 實(shí)時(shí)連接示例 應用示例 1：一個(gè) MCU 控制牽引逆變器和 DC-DC 轉換器 汽車(chē)制造商傾向于將三種分布式系統元器件合并到一個(gè)機箱中，并盡量減少 MCU 的數量，以降低系統成本和復雜性。然而，這需要具有較高實(shí)時(shí)控制性能的 MCU 來(lái)管理這三種元器件。為了解決這個(gè)問(wèn)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(gè)單一 F28388DPTPS 實(shí)時(shí) MCU 控制的 EV/HEV 牽引逆變器和雙向 DC-DC 轉換器（圖 6）。
圖 6：只有一塊控制板 C2000 MCU 卡（左下）控制牽引逆變器（左上）和 DC-DC 轉換器（右）。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 牽引逆變器使用基于軟件的軸角數字轉換器 (RDC) 來(lái)驅動(dòng)電機，最高可達 20000 轉/分鐘 (rpm)。其功率級包括 Wolfspeed 基于 SiC FET 的 CCS050M12CM2 六路電源模塊，由 TI 的 UCC5870QDWJRQ1 智能柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)。最先進(jìn)的 PWM 模塊在比較器子系統 (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構 (PSFB) 和同步整流 (SR) 功能。該轉換器具有雙向性，其優(yōu)勢在于，轉換器對直流總線(xiàn)電容器進(jìn)行預充電，無(wú)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換器。充電器 OBC 可以用市電電力對牽引電池進(jìn)行充電，反之，對 DC link 電容器進(jìn)行預充電。該設備將初級側 28 A、240 V 交流電轉換為次級側 19 A、350 V 直流電。 單個(gè) F28388DPTPS MCU 控制在 120 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下運行的兩相圖騰柱功率因數校正 (PFC) 鏈路，以及全橋 CLLLC（C = 電容器，L = 電感器）拓撲，然后進(jìn)行同步整流。CLLLC 轉換器使用頻率和相位調制進(jìn)行輸出調節，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 PFC 中間電路（左）和具有同步整流功能的次級側全橋 CLLLC 轉換器（右）。該設計的原理圖見(jiàn)圖 8。
圖 7：TMDSCNCD28388D 控制器卡（中間）控制初級側 PFC 鏈路（左）和具有同步整流功能的次級側全橋 CLLLC 轉換器（右）。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 由于采用新開(kāi)發(fā)的 LMG3522R030-Q1 高速 GaN FET，全功率下能效高達 96%，開(kāi)放框架功率密度為 3.8 kW/l。功率因數為 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(chē)，其開(kāi)關(guān)電壓為 600 V，Rds(ON) 為 30 mΩ。它還集成了柵極驅動(dòng)器、過(guò)載保護和溫度監測。
圖 8：OBC 的電路拓撲結構，包括 PFC 中間電路（左）和具有同步整流功能的次級側全橋 CLLLC 轉換器（右）。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 該 AC-DC 轉換器的特點(diǎn)是具有 HHC，它可模擬諧振電容上的電壓，顯著(zhù)降低過(guò)零失真。測試結果也表明瞬態(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(jiǎn)單。 光伏逆變器的示例展示了 HHC 如何有效減少橋式開(kāi)關(guān)晶體管在過(guò)零時(shí)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(guò)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）。
圖 9：HHC 可以顯著(zhù)降低橋式開(kāi)關(guān)晶體管在過(guò)零時(shí)的失真（左），從而消除 THD。通過(guò)使用 HHC，正弦線(xiàn)路電壓上高達 7.8% 的三次諧波 THD（右上）降低至 0.9%（右下）。（圖片來(lái)源：ietresearch.onlinelibrary.wiley.com） 順便提一下，這款 6.6 kW DC-DC 轉換器的電路設計基于 TI 的 TIDA-010062 參考設計，前述 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 為這種電源轉換器的設計提供了便利。 總結 Texas Instruments 的 C2000 系列實(shí)時(shí) MCU 可以處理汽車(chē)電力電子方面的幾乎所有控制任務(wù)。這些 MCU 生態(tài)系統的應用借助強大的實(shí)時(shí) MCU 聚合并聯(lián)合控制通常為分布式的系統電子設備，從而以既快速又節省成本的方式進(jìn)行系統設計。 如圖所示，智能 GaN 和 SiC 功率驅動(dòng)器相對容易實(shí)現。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(shí)現更具能效的 FOC 電機控制和轉換器 HHC 控制。 |
