集成MCU簡(jiǎn)化混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車電機(jī)控制
富士通半導(dǎo)體
摘要： 沒有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的全電動(dòng)汽車需要安全、具成本效益和高容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。高效的軟件算法、功能強(qiáng)大的微控制器和高效電機(jī)能最大限度地利用現(xiàn)有的能源，高集成度有助于實(shí)現(xiàn)更精簡(jiǎn)和低成本的電機(jī)控制系統(tǒng)。專為混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車而設(shè)計(jì)的新一代高集成度MCU包括能產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)的定時(shí)結(jié)構(gòu)以及各種I/O端口和接口。
Abstract：
Key words :
作者：Vitor Ribeiro , Maik Strietzel, Waqar Saleem 富士通半導(dǎo)體
沒有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的全電動(dòng)汽車需要安全、具成本效益和高容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。高效的軟件算法、功能強(qiáng)大的微控制器和高效電機(jī)能最大限度地利用現(xiàn)有的能源，高集成度有助于實(shí)現(xiàn)更精簡(jiǎn)和低成本的電機(jī)控制系統(tǒng)。專為混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車而設(shè)計(jì)的新一代高集成度MCU包括能產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)的定時(shí)結(jié)構(gòu)以及各種I/O端口和接口。
在討論這些新MCU如何運(yùn)行前，下面首先介紹混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車電機(jī)的工作原理。
圖1顯示了混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的廣泛分類。混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的核心要素是傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)，該電機(jī)在混合動(dòng)力汽車中與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)部署在一起，而在電動(dòng)汽車中則作為獨(dú)立的動(dòng)能來源。選擇電機(jī)需要仔細(xì)分析尺寸、重量、可靠性、耐用性、所需扭矩和整體效率。
圖1：混合動(dòng)力與電動(dòng)汽車的分類圖。
適用的電機(jī)有兩個(gè)基本類型。一種是異步電機(jī)，這種電機(jī)耐用且價(jià)格合理，因?yàn)樗鼈儾恍枰褂孟⊥猎刂瞥傻拇盆F。其特性參數(shù)可以通過軟件算法得到控制，并且不需要維護(hù)。這種電機(jī)效率略低于同步電機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)具有較低的扭矩。而缺點(diǎn)則是效率略低，約為90％，且重量更重。
另一種適用電機(jī)是永磁同步電機(jī)(PMSMs)，具有高轉(zhuǎn)矩、緊湊的尺寸和近94%的高效率。同步電動(dòng)機(jī)由于需要使用稀土元素制造的永久性磁鐵，因而成本較高。異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的無刷版本都不存在電刷損耗的問題。永磁同步電機(jī)提供更佳尺寸/力矩比和更高效率，也是目前電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的首選。
控制
如前所述，上述兩種電機(jī)都有無刷版本。雖然這種無刷電機(jī)需要進(jìn)行更多的整流，卻能夠提供安全、高效的控制，而這是傳動(dòng)系統(tǒng)中基本且首要的。目前的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)、電力電子、控制單元(微控制器)和控制軟件的完美平衡。
使用的算法必須適應(yīng)各自的電機(jī)和應(yīng)用，使電子控制器在任何時(shí)候都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化電機(jī)整流。如果不能正確適應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致不良的影響，如不規(guī)則的運(yùn)行和過大的噪音，都能給效率帶來某種程度的負(fù)面影響。電機(jī)控制包含針對(duì)不同應(yīng)用的各種控制算法。
基于傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)可由各種傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置對(duì)精確的電機(jī)控制是至關(guān)重要的。作為一個(gè)重要的組成部分，轉(zhuǎn)子位置傳感器對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的性能和效率有著顯著的影響。
霍爾位置傳感器基于霍爾效應(yīng)，通過改變載流導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)誘發(fā)電壓。在轉(zhuǎn)子磁環(huán)和粘附在轉(zhuǎn)子上的傳感器裝置幫助下，霍爾效應(yīng)傳感器成為檢測(cè)角度便捷而便宜的方法。磁極和霍爾元件的數(shù)量越多，分辨率和精確度就越高，也越容易受磁場(chǎng)干擾。
增量編碼器是一款常用傳感器，在眾多設(shè)計(jì)中都有廣泛應(yīng)用，具有機(jī)械和光學(xué)掃描特性，可以確定當(dāng)前的角位置。測(cè)量角度時(shí)，增量編碼器必須基于零位置或參考位置。
對(duì)微控制器而言，實(shí)際的角度測(cè)定只涉及檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向和計(jì)算脈沖發(fā)散?？梢酝ㄟ^簡(jiǎn)單測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔來計(jì)算角速度。對(duì)電磁干擾的非敏感性是非常有益的；相反，任何機(jī)械摩擦損耗和污垢的易感性，在光學(xué)系統(tǒng)中都是不利的。
分解器
分解器是一款在汽車行業(yè)內(nèi)被普遍使用的堅(jiān)固傳感器，不受磁場(chǎng)干擾和污垢影響，而且在角度檢測(cè)過程中不受摩擦損耗的影響。它由一個(gè)永久連接于電機(jī)軸(電機(jī)旋轉(zhuǎn)器)的輪子和一個(gè)永久附著于電機(jī)外殼的環(huán)形定子組成。該定子至少包含一個(gè)勵(lì)磁線圈和兩個(gè)傳感器線圈。通過增加極對(duì)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。
圖2顯示的就是分解器。勵(lì)磁線圈配備模擬正弦信號(hào)。該模擬信號(hào)通過磁耦合(感應(yīng))傳輸?shù)絻蓚€(gè)傳感器線圈，相互設(shè)置在90度的位置。對(duì)由分解器傳回的模擬正弦和余弦信號(hào)的評(píng)估需要一個(gè)軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)，它用來從模擬數(shù)據(jù)中確定角度位置和速率。
圖2：分解器示意圖和機(jī)械結(jié)構(gòu)。
分解器在性能和和準(zhǔn)確度方面可能并不比其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)優(yōu)越，但它們更耐用，在污垢和極端溫度等環(huán)境下能提供更好的保護(hù)。即便在靜止的狀態(tài)下，它也可以隨時(shí)檢測(cè)電機(jī)的絕對(duì)位置，而增量式編碼器和霍爾傳感器則不能執(zhí)行該功能。
車載逆變器和電機(jī)控制MCU
在最簡(jiǎn)易的情況下，電機(jī)控制器包含一個(gè)微控制器、一個(gè)功率輸出級(jí)、連接轉(zhuǎn)子位置傳感器(分解器)的電機(jī)，以及常被作為一個(gè)獨(dú)立電路執(zhí)行的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該控制器產(chǎn)生旋變信號(hào)，并基于返回的正弦/余弦信息，快速準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子的位置和速率。這種信息必須傳到微控制器，才能在電機(jī)控制計(jì)算中被考慮到。外部軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器通常經(jīng)串行外設(shè)接口(SPI)連接到微控制器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器制造商的要求，該連接也可通過其他串行或并行端口實(shí)現(xiàn)。
然而，這些解決方案受制于一個(gè)很大的不足，即MCU無法經(jīng)常接觸到轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)，而且必須始終從外部軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器中獲得(如圖3所示)。這樣不僅相對(duì)較慢，而且可能引發(fā)錯(cuò)誤，而這些錯(cuò)誤可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能安全產(chǎn)生負(fù)面影響。
圖3：配備外部集成軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電機(jī)控制。
擁有了最新的MB91580 32位微控制器系列后，富士通半導(dǎo)體在這方面獨(dú)樹一幟。在一個(gè)144幀中，32位微控制器擁有150DMIPS的運(yùn)算能力、可達(dá)1MB的快閃存儲(chǔ)器和128KB隨機(jī)存儲(chǔ)器，以及多個(gè)I/O端口和定時(shí)器結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生所有電機(jī)控制信號(hào)和充足的通信接口，如CAN、LIN和FlexRay(見圖4)。軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器的集成形成了極簡(jiǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)。每100納秒可從專用寄存器中讀出旋轉(zhuǎn)器位置、正余弦值和角速度 ，并隨時(shí)到達(dá)MCU。
圖4：片上可用資源示意圖
開發(fā)電機(jī)控制器常常用到一種基于模型的方法：強(qiáng)大的新軟件工具一般與浮點(diǎn)數(shù)一起運(yùn)作。為了將以這種方式開發(fā)的算法轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)的微控制器，浮點(diǎn)數(shù)必須轉(zhuǎn)化為整數(shù)。MB91580中的集成浮點(diǎn)單位增強(qiáng)了計(jì)算能力，減少了從模型轉(zhuǎn)換到應(yīng)用本身的工作量。
分解器診斷增加了功能安全
MCU比較容易識(shí)別電機(jī)故障。例如，相電流可能沒有對(duì)應(yīng)的預(yù)期值，或可能無法達(dá)到預(yù)期速度。在這些情況下，MCU可以設(shè)置特定的系統(tǒng)狀態(tài)而不影響車輛的安全性。
但是，如何監(jiān)測(cè)分解器和診斷故障呢？MB91580可通過綜合診斷和像接地短路這樣的故障表現(xiàn)，來監(jiān)測(cè)分解器發(fā)出或傳入的所有信號(hào)，這樣便可以快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)線纜的破損和中斷，甚至是分解器繞組內(nèi)的短路情況。一旦這種故障發(fā)生，MCU可以立即收到內(nèi)部中斷信號(hào)，從而迅速做出反應(yīng)，并有針對(duì)性地處理具體情況。所有這些都是在內(nèi)部運(yùn)作，將延遲時(shí)間最短化，這與帶外部軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)不同，在這類系統(tǒng)中故障信號(hào)必須通過一個(gè)連接到MCU的緩慢接口進(jìn)行傳輸。
由于MB91580系列專為機(jī)動(dòng)車應(yīng)用設(shè)計(jì)，它會(huì)提供其他一些功能來增強(qiáng)運(yùn)行的安全性。例如，通過ECC(糾錯(cuò)碼)來監(jiān)測(cè)所有的快閃存儲(chǔ)器和隨機(jī)存儲(chǔ)器。內(nèi)存保護(hù)單元可識(shí)別和防止對(duì)受限內(nèi)存區(qū)域未經(jīng)授權(quán)的訪問。集成CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))發(fā)電器(CRC16&CRC32)和內(nèi)部總線上的奇偶校驗(yàn)位可增強(qiáng)安全性。
混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中的應(yīng)用
適合集成電機(jī)控制MCU的應(yīng)用包括用于電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器。逆變器結(jié)構(gòu)圖顯示如圖5。
圖5：逆變器結(jié)構(gòu)圖。
出于功能安全的諸多因素，電機(jī)控制MCU(主控)是由一個(gè)二級(jí)小型微控制器(從屬)支持。兩個(gè)微控制器一直保持聯(lián)絡(luò)，一旦發(fā)現(xiàn)不正常的情況，從屬M(fèi)CU可以啟動(dòng)系統(tǒng)復(fù)位或切斷電機(jī)電源。主控MCU產(chǎn)生電機(jī)通信信號(hào)，測(cè)量和監(jiān)控相電流，發(fā)出旋變信號(hào)，并通過正弦/余弦反饋信息來確定旋轉(zhuǎn)器的位置和角速度。電機(jī)控制計(jì)算使用所有用于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和扭矩的相關(guān)數(shù)據(jù)。
逆變器通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(CAN或FlexRay)與電池管理系統(tǒng)通信，以確保提供所需的能源。
節(jié)能對(duì)混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車至關(guān)重要，任何需要持續(xù)能源供應(yīng)的系統(tǒng)，例如液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，都會(huì)長(zhǎng)期將過度壓力施加于儲(chǔ)能系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行以通過伺服泵建立所需的壓力。
純電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)只有在使用中才需要能源。原則上，該設(shè)計(jì)與動(dòng)力總成逆變器的設(shè)計(jì)相似。有主控和從屬M(fèi)CU，而電源器件主要是在穩(wěn)壓方面有所不同(如圖6所示)。永磁同步電動(dòng)機(jī)也用于該應(yīng)用，而分解器如之前描述的那樣運(yùn)行。
圖6：主-從MCU設(shè)計(jì)圖.
然而，主控MCU仍須評(píng)估轉(zhuǎn)向輸入裝置(傾角傳感器)和扭矩傳感器，以隨時(shí)提供正確的轉(zhuǎn)向輔助。EPS控制需要諸如運(yùn)行速度這樣的數(shù)據(jù)，它通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來提供(例如CAN總線)。這些信息有利于計(jì)算所需的額外轉(zhuǎn)向扭矩，以及將其傳送到轉(zhuǎn)向柱上的電機(jī)。
這樣做的目的是為了最大限度地減少驅(qū)動(dòng)器承擔(dān)的負(fù)荷，并提供轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)支持。例如，相比在高速公路上高速行駛的情況，當(dāng)車輛幾乎處于停滯狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)則需要更多的支持。EPS是為了增加驅(qū)動(dòng)器的舒適性和安全性。對(duì)于電子穩(wěn)定控制裝置而言，完全可以通過轉(zhuǎn)向干預(yù)來主動(dòng)調(diào)節(jié)車輛的穩(wěn)定性?？梢栽O(shè)想，EPS成為驅(qū)動(dòng)輔助系統(tǒng)的一部分，使得無需驅(qū)動(dòng)輸入便可自動(dòng)停車。
市場(chǎng)上的混合動(dòng)力汽車越來越多，其中不少都配有簡(jiǎn)單的啟停系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在未來幾年中，全混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)的數(shù)量會(huì)大幅增加。無內(nèi)燃機(jī)的全電動(dòng)汽車需要安全、經(jīng)濟(jì)、高容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。技術(shù)開發(fā)也一直在向前推進(jìn)，盡管其速度不如許多人所希望的那樣。等發(fā)展到一定程度時(shí)，混合動(dòng)力汽車會(huì)最大限度地使用以燃油和電力為形式的能源。
高效的軟件計(jì)算、強(qiáng)大的微控制器和高效的電動(dòng)機(jī)將使這些都成為可能。更高程度的集成會(huì)使電機(jī)控制系統(tǒng)更加精簡(jiǎn)、經(jīng)濟(jì)，這些系統(tǒng)可用于以上應(yīng)用中，并超越這里所列舉的應(yīng)用。通過集成芯片上的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器，MB91580電機(jī)控制MCU系列降低系統(tǒng)成本，提供高度集成，提高系統(tǒng)性能效率，從而展現(xiàn)更多優(yōu)勢(shì)。
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