操作時間可減少至CPU軟件配置的十分之一，同時確保功能安全
瑞薩電子株式會社(以下簡稱“瑞薩電子”)今天宣布成功開發(fā)出了一種電機控制專用電路技術，可助力車廠滿足更嚴苛的碳排放標準。
這種新開發(fā)的技術名為“智能電機定時器系統(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。對于在電動車電機控制中至關重要的磁場定向控制(FOC)(注1)，它的操作時間僅為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行的CPU上軟件處理時間的十分之一。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和具有高速開關性能的逆變器系統(tǒng)。
此外，這種獨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大。為進一步提高電動車的應用范圍，有必要增強電機控制的能源效率。
因此，不僅需要對電機進行機械性改進，提升電機的電子控制單元的功能和性能也十分重要?？捎糜谥С窒乱淮妱榆嚒⒒旌蟿恿囈约安咫娛交旌蟿恿嚨碾娮涌刂茊卧枰浅ｎI先的功能和復雜的控制軟件，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荷。與此同時，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)行的眾多電機控制中，瑞薩電子將IMTS作為靜態(tài)處理的專用電路模塊，因為該處理過程通常需要高反應性能，如采集傳感器數(shù)據(jù)，在此基礎上計算并輸出控制值等。IMTS獨立于CPU，可自主運行，可顯著降低電機控制微控制器的CPU負荷。節(jié)省下來的CPU性能便可以分配至高級電機控制算法上，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。
專用電機控制電路技術的關鍵特性：
(1)開發(fā)靜態(tài)電機控制處理專用電路模塊和支持獨立運行的電路技術
電機控制需要一系列涉及磁場定向控制(FOC)的靜態(tài)處理，在每個控制周期內(nèi)MCU會采集電機電流值和角度值在計算后得出下一周期的控制值;在控制值的基礎上會生成PWM輸出(注3)。當多種電機控制程序同時運行時，對于以320 MHz頻率運行的瑞薩電子40nm汽車MCU，產(chǎn)生的總處理負荷最高可占到其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CPU的處理負荷。它以專用電機控制定時器電路的形式配置，鏈接緊湊，因此在每個定時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，均可獨立于CPU運行。
由此便消除了之前本應由CPU處理的負荷，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可以將操作處理時間減少至0.8 μs，與配置在CPU上的軟件相比，用時不到其十分之一。對于使用新材料制成的電源設備，新技術實現(xiàn)的處理性能可滿足具備高速開關性能的逆變器控制要求(性能示例：100 kHz開關頻率，控制周期10 μs)，包括使用以碳化硅等新材料制成的電源設備的逆變器。
(2)專業(yè)技術的發(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微控制器提供系統(tǒng)冗余來實現(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。
新技術使用的MCU帶有兩個雙核鎖步配置的CPU，可定期監(jiān)測IMTS電路的內(nèi)部運行。該方法不僅可以降低成本，還可以實現(xiàn)高速控制和功能安全。功能安全會增加CPU的負荷，但在實際使用中，僅占CPU總處理能力的2.4%(注5)。
(3)電路技術可靈活校正外部傳感器信號誤差
為實現(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。但實際運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)的軟件實時校正誤差。此外，IMTS還可以獨立執(zhí)行該校正處理，不會對CPU造成額外的負荷。正確的傳感器信號值，可在電機運行中實現(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的40 納米MCU原型(帶片上閃存)。它使用真實的電機驅(qū)動系統(tǒng)確認真實系統(tǒng)中的操作。瑞薩電子旨在通過這種專用電機控制電路技術為電動車、混合動力車和插電式混合動力車的電子控制單元實現(xiàn)更高的能源利用效率。
在2017年2月5日(當?shù)貢r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)，瑞薩電子就新技術發(fā)表了論文。
(注1)磁場定向控制(FOC)是一種廣泛用于電機控制的基本處理算法，這種電機控制算法中通常使用復雜的計算，包括三角函數(shù)，進行坐標轉(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的外部功率設備。
(注4)預計下一代系統(tǒng)將需要12.5 μs的控制周期。CPU負荷的計算值是基于每個控制周期中同時發(fā)生兩個電機控制操作(例如，前輪和后輪的驅(qū)動電機)。
(注5)CPU負荷的計算值假設電機以100,000 rpm的速度運行時，在一個轉(zhuǎn)動持續(xù)期間檢測到故障。