集成MCU簡化混合動力/電動汽車電機控制
富士通半導體
摘要： 沒有內燃發(fā)動機的全電動汽車需要安全、具成本效益和高容量的儲能系統(tǒng)。高效的軟件算法、功能強大的微控制器和高效電機能最大限度地利用現(xiàn)有的能源，高集成度有助于實現(xiàn)更精簡和低成本的電機控制系統(tǒng)。專為混合動力汽車和電動汽車而設計的新一代高集成度MCU包括能產生電機控制信號的定時結構以及各種I/O端口和接口。
Abstract：
Key words :
作者：Vitor Ribeiro , Maik Strietzel, Waqar Saleem 富士通半導體
沒有內燃發(fā)動機的全電動汽車需要安全、具成本效益和高容量的儲能系統(tǒng)。高效的軟件算法、功能強大的微控制器和高效電機能最大限度地利用現(xiàn)有的能源，高集成度有助于實現(xiàn)更精簡和低成本的電機控制系統(tǒng)。專為混合動力汽車和電動汽車而設計的新一代高集成度MCU包括能產生電機控制信號的定時結構以及各種I/O端口和接口。
在討論這些新MCU如何運行前，下面首先介紹混合動力汽車和電動汽車電機的工作原理。
圖1顯示了混合動力汽車和電動汽車的廣泛分類?；旌蟿恿ζ嚭碗妱悠嚨暮诵囊厥莻鲃酉到y(tǒng)中的電機，該電機在混合動力汽車中與傳統(tǒng)的內燃機部署在一起，而在電動汽車中則作為獨立的動能來源。選擇電機需要仔細分析尺寸、重量、可靠性、耐用性、所需扭矩和整體效率。
圖1：混合動力與電動汽車的分類圖。
適用的電機有兩個基本類型。一種是異步電機，這種電機耐用且價格合理，因為它們不需要使用稀土元素制成的磁鐵。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。這種電機效率略低于同步電機，在啟動時具有較低的扭矩。而缺點則是效率略低，約為90％，且重量更重。
另一種適用電機是永磁同步電機(PMSMs)，具有高轉矩、緊湊的尺寸和近94%的高效率。同步電動機由于需要使用稀土元素制造的永久性磁鐵，因而成本較高。異步電機和永磁同步電機的無刷版本都不存在電刷損耗的問題。永磁同步電機提供更佳尺寸/力矩比和更高效率，也是目前電動和混合動力汽車傳動系統(tǒng)的首選。
控制
如前所述，上述兩種電機都有無刷版本。雖然這種無刷電機需要進行更多的整流，卻能夠提供安全、高效的控制，而這是傳動系統(tǒng)中基本且首要的。目前的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)電機、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各自的電機和應用，使電子控制器在任何時候都能實現(xiàn)優(yōu)化電機整流。如果不能正確適應，可能會導致不良的影響，如不規(guī)則的運行和過大的噪音，都能給效率帶來某種程度的負面影響。電機控制包含針對不同應用的各種控制算法。
基于傳感器的轉子位置檢測可由各種傳感系統(tǒng)實現(xiàn)。一般情況下，檢測轉子的位置對精確的電機控制是至關重要的。作為一個重要的組成部分，轉子位置傳感器對電機系統(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，通過改變載流導體周圍的磁場誘發(fā)電壓。在轉子磁環(huán)和粘附在轉子上的傳感器裝置幫助下，霍爾效應傳感器成為檢測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，也越容易受磁場干擾。
增量編碼器是一款常用傳感器，在眾多設計中都有廣泛應用，具有機械和光學掃描特性，可以確定當前的角位置。測量角度時，增量編碼器必須基于零位置或參考位置。
對微控制器而言，實際的角度測定只涉及檢測旋轉方向和計算脈沖發(fā)散?？梢酝ㄟ^簡單測量兩個脈沖之間的時間間隔來計算角速度。對電磁干擾的非敏感性是非常有益的；相反，任何機械摩擦損耗和污垢的易感性，在光學系統(tǒng)中都是不利的。
分解器
分解器是一款在汽車行業(yè)內被普遍使用的堅固傳感器，不受磁場干擾和污垢影響，而且在角度檢測過程中不受摩擦損耗的影響。它由一個永久連接于電機軸(電機旋轉器)的輪子和一個永久附著于電機外殼的環(huán)形定子組成。該定子至少包含一個勵磁線圈和兩個傳感器線圈。通過增加極對數(shù)可以實現(xiàn)更高的分辨率。
圖2顯示的就是分解器。勵磁線圈配備模擬正弦信號。該模擬信號通過磁耦合(感應)傳輸?shù)絻蓚€傳感器線圈，相互設置在90度的位置。對由分解器傳回的模擬正弦和余弦信號的評估需要一個軸角數(shù)字轉換器(RDC)，它用來從模擬數(shù)據(jù)中確定角度位置和速率。
圖2：分解器示意圖和機械結構。
分解器在性能和和準確度方面可能并不比其他競爭技術優(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。即便在靜止的狀態(tài)下，它也可以隨時檢測電機的絕對位置，而增量式編碼器和霍爾傳感器則不能執(zhí)行該功能。
車載逆變器和電機控制MCU
在最簡易的情況下，電機控制器包含一個微控制器、一個功率輸出級、連接轉子位置傳感器(分解器)的電機，以及常被作為一個獨立電路執(zhí)行的軸角數(shù)字轉換器。該控制器產生旋變信號，并基于返回的正弦/余弦信息，快速準確地確定轉子的位置和速率。這種信息必須傳到微控制器，才能在電機控制計算中被考慮到。外部軸角數(shù)字轉換器通常經串行外設接口(SPI)連接到微控制器。根據(jù)系統(tǒng)設計和軸角數(shù)字轉換器制造商的要求，該連接也可通過其他串行或并行端口實現(xiàn)。
然而，這些解決方案受制于一個很大的不足，即MCU無法經常接觸到轉子數(shù)據(jù)，而且必須始終從外部軸角數(shù)字轉換器中獲得(如圖3所示)。這樣不僅相對較慢，而且可能引發(fā)錯誤，而這些錯誤可能會對整個系統(tǒng)的功能安全產生負面影響。
圖3：配備外部集成軸角數(shù)字轉換器的電機控制。
擁有了最新的MB91580 32位微控制器系列后，富士通半導體在這方面獨樹一幟。在一個144幀中，32位微控制器擁有150DMIPS的運算能力、可達1MB的快閃存儲器和128KB隨機存儲器，以及多個I/O端口和定時器結構，能夠產生所有電機控制信號和充足的通信接口，如CAN、LIN和FlexRay(見圖4)。軸角數(shù)字轉換器的集成形成了極簡的系統(tǒng)架構。每100納秒可從專用寄存器中讀出旋轉器位置、正余弦值和角速度 ，并隨時到達MCU。
圖4：片上可用資源示意圖
開發(fā)電機控制器常常用到一種基于模型的方法：強大的新軟件工具一般與浮點數(shù)一起運作。為了將以這種方式開發(fā)的算法轉移到傳統(tǒng)的微控制器，浮點數(shù)必須轉化為整數(shù)。MB91580中的集成浮點單位增強了計算能力，減少了從模型轉換到應用本身的工作量。
分解器診斷增加了功能安全
MCU比較容易識別電機故障。例如，相電流可能沒有對應的預期值，或可能無法達到預期速度。在這些情況下，MCU可以設置特定的系統(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)測分解器發(fā)出或傳入的所有信號，這樣便可以快速準確地發(fā)現(xiàn)線纜的破損和中斷，甚至是分解器繞組內的短路情況。一旦這種故障發(fā)生，MCU可以立即收到內部中斷信號，從而迅速做出反應，并有針對性地處理具體情況。所有這些都是在內部運作，將延遲時間最短化，這與帶外部軸角數(shù)字轉換器的系統(tǒng)不同，在這類系統(tǒng)中故障信號必須通過一個連接到MCU的緩慢接口進行傳輸。
由于MB91580系列專為機動車應用設計，它會提供其他一些功能來增強運行的安全性。例如，通過ECC(糾錯碼)來監(jiān)測所有的快閃存儲器和隨機存儲器。內存保護單元可識別和防止對受限內存區(qū)域未經授權的訪問。集成CRC(循環(huán)冗余校驗)發(fā)電器(CRC16&CRC32)和內部總線上的奇偶校驗位可增強安全性。
混合動力汽車和電動汽車中的應用
適合集成電機控制MCU的應用包括用于電力驅動電機的逆變器。逆變器結構圖顯示如圖5。
圖5：逆變器結構圖。
出于功能安全的諸多因素，電機控制MCU(主控)是由一個二級小型微控制器(從屬)支持。兩個微控制器一直保持聯(lián)絡，一旦發(fā)現(xiàn)不正常的情況，從屬MCU可以啟動系統(tǒng)復位或切斷電機電源。主控MCU產生電機通信信號，測量和監(jiān)控相電流，發(fā)出旋變信號，并通過正弦/余弦反饋信息來確定旋轉器的位置和角速度。電機控制計算使用所有用于轉子轉速和扭矩的相關數(shù)據(jù)。
逆變器通過內部網絡(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)能對混合動力汽車和電動汽車至關重要，任何需要持續(xù)能源供應的系統(tǒng)，例如液壓助力轉向系統(tǒng)，都會長期將過度壓力施加于儲能系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)持續(xù)運行以通過伺服泵建立所需的壓力。
純電動助力轉向(EPS)系統(tǒng)只有在使用中才需要能源。原則上，該設計與動力總成逆變器的設計相似。有主控和從屬MCU，而電源器件主要是在穩(wěn)壓方面有所不同(如圖6所示)。永磁同步電動機也用于該應用，而分解器如之前描述的那樣運行。
圖6：主-從MCU設計圖.
然而，主控MCU仍須評估轉向輸入裝置(傾角傳感器)和扭矩傳感器，以隨時提供正確的轉向輔助。EPS控制需要諸如運行速度這樣的數(shù)據(jù)，它通過內部網絡來提供(例如CAN總線)。這些信息有利于計算所需的額外轉向扭矩，以及將其傳送到轉向柱上的電機。
這樣做的目的是為了最大限度地減少驅動器承擔的負荷，并提供轉向運動的動態(tài)支持。例如，相比在高速公路上高速行駛的情況，當車輛幾乎處于停滯狀態(tài)時，轉向運動則需要更多的支持。EPS是為了增加驅動器的舒適性和安全性。對于電子穩(wěn)定控制裝置而言，完全可以通過轉向干預來主動調節(jié)車輛的穩(wěn)定性?？梢栽O想，EPS成為驅動輔助系統(tǒng)的一部分，使得無需驅動輸入便可自動停車。
市場上的混合動力汽車越來越多，其中不少都配有簡單的啟停系統(tǒng)，預計在未來幾年中，全混合動力汽車和插電式混合動力汽車(PHEV)的數(shù)量會大幅增加。無內燃機的全電動汽車需要安全、經濟、高容量的儲能系統(tǒng)。技術開發(fā)也一直在向前推進，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，混合動力汽車會最大限度地使用以燃油和電力為形式的能源。
高效的軟件計算、強大的微控制器和高效的電動機將使這些都成為可能。更高程度的集成會使電機控制系統(tǒng)更加精簡、經濟，這些系統(tǒng)可用于以上應用中，并超越這里所列舉的應用。通過集成芯片上的軸角數(shù)字轉換器，MB91580電機控制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。
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