Einsatz der Echtzeit-MCUs C2000 zur Entwicklung kosten- und energieeffizienter Konzepte zur Steuerung der EV-Motorleistung

Die schnell wachsenden technischen Anforderungen an die Leistungselektronik moderner Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybrid-EVs (HEVs) stellen die Entwickler zunehmend vor eine fast unüberwindbare Aufgabe. Die höhere Energieeffizienz und Leistungsdichte von Antriebs- und Energieumwandlungssystemen erfordern eine komplexere Steuerelektronik mit effizienter Galliumnitrid- (GaN) und Siliziumkarbid- (SiC) Technologie, die mit hohen Schaltfrequenzen arbeitet. Neben der funktionalen Sicherheit unterliegen vernetzte Fahrzeuge auch Sicherheitsanforderungen auf IT-Ebene und nutzen Systemeingriffe wie die Aktualisierung der Firmware per Funk (FOTA: Firmware-Over-The-Air).

Angesichts knapper Entwicklungsbudgets und wettbewerbsfähiger Endproduktpreise sind die Entwickler von Leistungselektronik letztlich gezwungen, Wege zur Vereinfachung des Systemdesigns zu finden, wozu auch der Einsatz von stärker integrierten Steuerungslösungen gehört.

Um diese Herausforderungen zu meistern, werden in diesem Artikel einige Vorteile der automobilgerechten Echtzeit-Mikrocontroller (MCUs) der Serie C2000 von Texas Instruments erörtert, die sich für Antriebssteuerungen und Leistungswandler in EVs und HEVs eignen. Nach einem kurzen Funktions- und Schnittstellenüberblick über die Reglerfamilie F28003x gibt der Artikel einen Einblick in die Implementierung der feldorientierten Regelung (FOC) im Traktionswechselrichter und der hysteretischen Stromregelung im On-Board-Ladegerät.

Mehr Effizienz bei geregelten Antrieben und Stromrichtern

Die bemerkenswerte Leistung der heutigen EVs und HEVs resultiert zu einem großen Teil aus der elektronischen Steuerung in Antrieben und Stromrichtern. Die in diesen Subsystemen verwendeten Echtzeit-MCUs verwenden komplexe Steuerungsalgorithmen und genaue Motormodelle, um extrem schnell zu reagieren, mit einer Steuerungsverzögerung von nur wenigen Mikrosekunden (µs). Wenn die Echtzeit-Regelung zu langsam ist und das festgelegte Zeitfenster nicht einhält, sinken Stabilität, Präzision und Effizienz des Regelkreises.

Um die Verwendung von Proportional-Integral-Differential-Reglern (PID-Reglern) aus Standardbibliotheken zu ermöglichen, transformieren Vektorregler das dreiphasige Statorstromsystem in einen zweidimensionalen Stromraumvektor, um die magnetische Flussdichte und das Rotordrehmoment zu steuern. Eine schnelle Stromschleife (blauer Pfeil in Abbildung 1) sollte eine Regelverzögerung von weniger als 1 µs erreichen.

Abbildung 1: Für eine stabile Steuerung muss eine Echtzeit-MCU alle arithmetischen Operationen pro Schleifendurchlauf (blauer Pfeil) in weniger als 1 µs ausführen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Durch die Kombination von schneller Vektorregelung wie FOC (feldorientierte Regelung) und einem hocheffizienten internen Permanentmagnet-Synchron-Reluktanzmotor (IPM-SynRM) erreichen Motorantriebe große Drehmomente und einen Wirkungsgrad von bis zu 96 % im Vergleich zum klassischen Gleichstrommotor (d. h. dem Permanentmagnet-Synchronmotor oder PMSM). Entwickler können eine variable Drehmomentregelung zwischen der Lorentzkraft und der Reluktanzkraft des IPM-SynRM mit einer Echtzeit-MCU der Serie C2000 und der Software C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK zeit- und kosteneffizient implementieren. FOC ermöglicht auch die hochpräzise Steuerung von SynRMs - auch ohne Magnete oder Positionssensoren - und spart so Systemkosten und Gewicht und macht den Motor widerstandsfähiger gegen Überlast.

Für AC/DC-Wandler, die als On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge oder umgekehrt als Photovoltaik-Wechselrichter eingesetzt werden, ist es wichtig, das Stromnetz frei von Oberschwingungsverzerrungen zu halten. Dieser unsauberen Nullspannungsschaltung (ZVS) kann mit einer hybriden hysteretischen Steuerung (HHC) des Stroms entgegengewirkt werden. Hier können sich Entwickler auch auf C2000-MCUs verlassen, um das Schaltungsdesign zu beschleunigen, indem sie leistungsstarke Regelalgorithmen aus dem Software-Repository C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK verwenden.

Vereinfachte Entwicklung von EV-Systemen mit C2000-MCUs

Um das Design von Stromversorgungssystemen zu vereinfachen, bietet Texas Instruments die Echtzeit-MCUs der Serie C2000 für die schnelle Implementierung komplexer Stromversorgungssteuerungen an, die dank einer umfassenden Hardware- und Software-Entwicklungsumgebung das Design verschiedener flexibler Steuerungen erleichtern. Mit einer einzigen C2000-MCU können Fahrzeugentwickler kleinere, kostengünstigere EV-Antriebsstränge zur Hälfte der Kosten realisieren, da sie für die gleichzeitige Steuerung von On-Board-Ladegeräten, DC/DC-Wandlern und Traktionswechselrichtern ausgelegt sind. Auch Anwendungen wie HLK, Fahrerassistenzsysteme und Brennstoffzellensteuerung sind denkbar.

Systementwickler können eine einzige leistungsstarke MCU zur Steuerung mehrerer Leistungselektronik- und Systemkomponenten verwenden, die im gesamten Fahrzeug verteilt sind. Die TI-Website, insbesondere der Resource Explorer und die C2000 Academy, bietet Entwicklern eine Fülle an Unterstützung in Form von Datenblättern, Anwendungshinweisen, Evaluierungsboards, Referenzdesigns, Schulungsvideos und einem Entwicklerforum.

TI hat die F28003x-Familie von Echtzeit-Controllern speziell für den Einsatz in Elektrofahrzeugen in Bezug auf Leistung, Integration und Kosten optimiert. Mit einer Verarbeitungsleistung von 240 MIPS und integrierter Echtzeit-Steuerungsperipherie können Schaltungsentwickler die Präzision und Energieeffizienz ihrer Motorsteuerungs- und Leistungsumwandlungssysteme auf Basis der MCU F280039CSPZ verbessern - ohne dass ein FPGA erforderlich ist. Darüber hinaus reduziert die einfach zu implementierende GaN- und SiC-Technologie die Schaltverluste und erhöht die Leistungsdichte aufgrund höherer Schaltfrequenzen, kleinerer magnetischer Komponenten und eines geringeren Kühlflächenbedarfs.

Die F28003x-Serie unterstützt die Kommunikation per CAN FD (Controller Area Network Full Duplex) sowie mehrere schnelle serielle Schnittstellen. Ein integrierter Flash-Speicher von 384 Kilobyte (KByte) bietet reichlich Reserven für die Realisierung von vernetzten IoT-Funktionen (Internet der Dinge). On-Chip-Sicherheitsfunktionen wie Secure Boot, eine AES-Verschlüsselungs-Engine, JTAG-Sperre und ein in die Hardware integrierter Selbsttest (HWBIST) sorgen dafür, dass vernetzte Systemeingriffe wie Live-Firmware-Aktualisierungen und Firmware-Aktualisierungen per Funk (FOTA) sicher vor Manipulationen sind. Die MCUs erfüllen die ASIL-B-Anforderungen und verfügen über integrierte funktionale Sicherheit, was sowohl die Entwicklungszeit für Anwendungen als auch die für die Markteinführung erforderliche Zertifizierung beschleunigt. Abbildung 2 gibt einen Überblick über die wesentlichen Funktionen und Schnittstellen.

Abbildung 2: Funktionsblockdiagramm der MCU F280039C mit Highlights wie schneller Verarbeitung, flexiblen Kommunikations- und Sensoroptionen und Sicherheitsfunktionen wie Secure Boot. (Bildquelle: Texas-Instrumente)

Das TMDSCNCD280039C ist ein geeignetes Evaluierungsboard für den F280039C und eignet sich ideal für Tests und Prototyping. Für den Betrieb dieser controlCARD, die mit einer HSEC180-Steckleiste (180-poliger Highspeed-Randsteckverbinder) ausgestattet ist, wird eine 180-polige Dockingstation TMDSHSECDOCK benötigt.

Konfigurierbare Logikblöcke (CLBs) für kundenspezifische Logik

Innovative konfigurierbare Logikblöcke (CLBs) ermöglichen es Programmierern, kundenspezifische Logik in das C2000-Echtzeitsteuerungssystem zu integrieren und dabei auf externe Logik, FPGAs, CPLDs oder ASICs zu verzichten. Durch Hinzufügen eines CLBs können bestehende C2000-Peripheriemodule wie ePWM (enhanced Pulse Width Modulator), eCAP (enhanced Capture) oder eQEP (enhanced Quadrature Encoder Pulse) um kundenspezifische Signale und Funktionen erweitert werden.

Die Konfiguration der Logikblöcke erfolgt über C2000 SysConfig, das in C2000Ware verfügbar ist. Dazu ist das Tool SysConfig erforderlich, das Teil der integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) Code Composer Studio (CCS) von TI ist oder als eigenständiges Tool für die Verwendung mit anderen IDEs zur Verfügung steht (Abbildung 3).

Abbildung 3: CLBs erleichtern die Implementierung kundenspezifischer Logik in das C2000-Echtzeit-Steuerungssystem und machen externe Logik und FPGAs überflüssig. (Bildquelle: Texas Instruments)

Das Software- und Dokumentationspaket C2000Ware minimiert die Entwicklungszeit durch die Bereitstellung umfangreicher gerätespezifischer Treiber, Bibliotheken und Anwendungsbeispiele sowie durch die Erweiterung von Peripheriegeräten mit CLBs.

Die Basis für die Code-Entwicklung und das Debugging von C2000-Embedded-Anwendungen ist CCS IDE. Die Tool-Sammlung umfasst einen optimierenden C/C++-Compiler, einen Quellcode-Editor, eine Umgebung zur Projekterstellung, einen Debugger, einen Profiler und viele andere Funktionen. Die intuitive IDE bietet eine einzige Benutzeroberfläche, die den Benutzer durch jeden Schritt der Anwendungsentwicklung führt. Vertraute Tools und Schnittstellen, die auf dem Eclipse-Software-Framework basieren, tragen dazu bei, dass die Benutzer schnell einsteigen können.

Taktung und Testen

Anstatt mit CLBs in die komplexe Taktperipherie einzugreifen, können Programmierer den Embedded Pattern Generator (EPG) für einfache Testszenarien während der Programmierung oder Validierung verwenden. Das eigenständige EPG-Modul ermöglicht die Erzeugung von benutzerdefinierten Pulsmustern (SIGGEN) und Taktsignalen (CLOCKGEN), kann aber auch einen eingehenden seriellen Datenstrom erfassen und umformen oder mit erzeugten Taktsignalen synchronisieren.

Für die Fehlersuche und die Überwachung und Erstellung von Profilen für kritische CPU-Busse und Geräteereignisse in einem C2000-Echtzeitsystem wird Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD) verwendet, das nicht in das System eingreift. Das Hardwaremodul bietet erweiterte Buskomparatoren und Systemereigniszähler, die innerhalb der MCU-Busarchitektur angeordnet sind (Abbildung 4).

Abbildung 4: ERAD bietet moderne Buskomparatoren und Systemereigniszähler für die Interrupt-Generierung, befindet sich innerhalb der MCU-Busarchitektur und ermöglicht das Debugging des Echtzeitsystems auf nicht-intrusive Weise. (Bildquelle: Texas Instruments)

ERAD kann unabhängig voneinander Interrupts und Flags auf Systemebene erzeugen und diese an andere Peripheriegeräte wie den CLB weiterleiten.

Schnellere Implementierung von FOC-Motorsteuerungen mit C2000-MCUs

Die Implementierung der variablen Drehmomentregelung eines IPM-SynRM mit einer Vektorregelung ist komplex. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und dem Lastmoment muss der Algorithmus den Versatzwinkel zwischen zwei rotierenden Koordinatensystemen steuern. So kann der Rotor dem rotierenden Statormagnetfeld durch eine phasenverschobene Steuerung um bis zu ±90° elektrisch vor- oder nachlaufen, was einen variablen Betrieb zwischen RM und PMSM ermöglicht. Die komplexe Steuerung der magnetischen Flussdichte und des Rotordrehmoments kann mit dem Motor Control Software Development Kit von TI schnell implementiert werden.

Die Software, die auf jahrzehntelanger Erfahrung beruht, umfasst Firmware, die auf Evaluierungsmodulen (EVMs) für die C2000-Motorsteuerung und TI-Designs (TIDs) läuft. Zwei wichtige Funktionsbibliotheken für die Vektorsteuerung sind InstaSPIN-FOC (FOC-Motorsteuerungen ohne Geber) und DesignDRIVE (FOC-Motorsteuerungen mit Geber).

Die wichtigsten Merkmale von InstaSPIN-FOC:

• Sensorlose Drehmoment- oder Geschwindigkeits-FOC
• Fluss-, Winkel-, Geschwindigkeits- und Drehmoment-Softwaremonitor (FAST) für Rotorschätzungen
• Motorparameter-Identifikation
• Automatische Einstellung des Monitor- und des Drehmomentregelkreises
• Erstklassige Leistung für langsame und hochdynamische Anwendungen

Ein besonderes Merkmal des FOC-Regelkreises ist der adaptive FAST-Algorithmus. Dieser ermittelt automatisch Flussdichte, Stromwinkel, Drehzahl und Drehmoment aus den Phasenspannungen und -strömen (Abbildung 5). Dank der automatischen Erkennung der Motorparameter können Entwickler einen neuen Motor schnell in Betrieb nehmen und sich bei der Feinabstimmung des Regelkreises auf das automatische System verlassen.

Abbildung 5: Ein besonderes Merkmal des FOC-Regelkreises ist der adaptive FAST-Algorithmus, der Flussdichte, Stromwinkel, Drehzahl und Drehmoment automatisch erkennt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die wichtigsten Merkmale von DesignDRIVE:

• Erfassung von Geschwindigkeit oder Position per FOC
• Positionsrückmeldung: Resolver, inkrementale und absolute Drehgeber
• Techniken zur Strommessung: Low-Side-Shunt, In-Line-Stromabtastung und Sigma-Delta-Filter-Demodulation
• Schnelle Stromschleife (FCL): Optimierte Softwarebibliothek, die die Hardwareressourcen voll ausnutzt, um die Abtastung, Verarbeitung und Ansteuerung des Systems zu beschleunigen, um die höchste Regelbandbreite für eine bestimmte PWM-Frequenz in Servoregelungsanwendungen zu erreichen
• Beispiele für Echtzeit-Verbindungen

Anwendungsbeispiel 1: Eine MCU steuert Traktionswechselrichter und DC/DC-Wandler

Automobilhersteller tendieren dazu, die drei verteilten Systemkomponenten in einem Chassis zu vereinen und die Anzahl der MCUs zu minimieren, um die Systemkosten und die Komplexität zu reduzieren. Dies erfordert jedoch eine MCU mit hoher Echtzeit-Steuerungsleistung, um alle drei Komponenten zu verwalten. Das Referenzdesign TIDM-02009 von TI demonstriert die Kombination eines EV/HEV-Traktionswechselrichters mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler, die von einer einzigen Echtzeit-MCU F28388DPTPS gesteuert werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Nur eine C2000-MCU-Karte der Steuerplatine (unten links) steuert den Traktionswechselrichter (oben links) und den Gleichspannungswandler (rechts). (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Traktionsumrichter verwendet einen softwarebasierten Resolver-Digital-Wandler (RDC), um den Motor auf eine hohe Drehzahl von bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) zu bringen. Die Leistungsstufe besteht aus dem Sechs-Wege-Leistungsmodul CCS050M12CM2 von Wolfspeed, das auf SiC-FETs basiert und von einem intelligenten Gate-Treiber UCC5870QDWJRQ1 von TI angesteuert wird. Ein modernes PWM-Modul mit integrierter Steigungskompensation im Komparator-Subsystem (CMPSS) erzeugt die PCMC-Wellenform. Der Spannungsmesspfad verwendet TIs Verstärker AMC1311QDWVRQ1 mit extrastarker Isolation und 2-Volt-Eingängen, und der Strommesspfad verwendet TIs Präzisionsverstärker AMC1302QDWVRQ1 mit extrastarker Isolation und Eingängen für ±50 Millivolt (mV).

Der DC/DC-Wandler verwendet die PCMC-Technologie (Peak Current Mode Control) mit phasenverschobener Vollbrückentopologie (PSFB) und synchroner Gleichrichtung (SR). Seine Bidirektionalität hat den Vorteil, dass der Wandler den Zwischenkreiskondensator vorlädt, wodurch Strombegrenzungsrelais und Vorwiderstände überflüssig werden. Die störsichere Kommunikation auf Basis von CAN FD wird durch das integrierte Controller-Transceivermodul TCAN4550RGYTQ1 gewährleistet.

Anwendungsbeispiel 2: Effizienter bidirektionaler AC/DC-Wandler für 6,6 kW

Für relativ hohe Ausgangsleistungen stellt der PMP22650 ein GaN-FET-basiertes Referenzdesign für einen bidirektionalen einphasigen AC/DC-Wandler mit einer Leistung von 6,6 Kilowatt (kW) dar. Das Ladegerät OBC kann die Antriebsbatterie mit Strom aus dem Netz laden und umgekehrt die Zwischenkreiskondensatoren vorladen. Das Gerät wandelt 240 Volt Wechselspannung bei 28 Ampere (A) auf der Primärseite in 350 Volt Gleichspannung bei 19 A auf der Sekundärseite um.

Eine einzelne F28388DPTPS-MCU steuert die zweiphasige Totempol-Verbindung mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), die mit einer Schaltfrequenz von 120 Kilohertz (kHz) arbeitet, und eine Vollbrücken-CLLLC-Topologie (C = Kondensator, L = Induktivität) mit anschließender Synchrongleichrichtung. Der CLLLC-Wandler verwendet sowohl Frequenz- als auch Phasenmodulation zur Ausgangsregelung und arbeitet mit einer variablen Frequenz von 200 kHz bis 800 kHz.

In Abbildung 7 steuert die passende Controllerkarte TMDSCNCD28388D (Mitte) den primärseitigen PFC-Zwischenkreis (links) und den sekundärseitigen CLLLC-Vollbrückenwandler mit Synchrongleichrichtung (rechts). Die schematische Darstellung dieses Entwurfs ist in Abbildung 8 zu sehen.

Abbildung 7: Die Controller-Karte TMDSCNCD28388D (Mitte) steuert den primärseitigen PFC-Zwischenkreis (links) und den sekundärseitigen CLLLC-Vollbrückenwandler mit Synchrongleichrichtung (rechts). (Bildquelle: Texas Instruments)

Ein Wirkungsgrad von bis zu 96% bei voller Leistung und eine Open-Frame-Leistungsdichte von 3,8 kW/Liter werden durch den Einsatz der neu entwickelten Highspeed-GaN-FETs LMG3522R030-Q1 ermöglicht. Der Leistungsfaktor beträgt 0,999 mit weniger als 2 % Gesamtverzerrung (THD). Eine Alternative zum LMG3522 ist der GaN-FET LMG3422R030RQZT, der ebenfalls für die Automobilindustrie geeignet ist und eine Schaltspannung von 600 Volt sowie einen R_ds(ON) von 30 Milliohm (mΩ) aufweist. Außerdem sind der Gate-Treiber, der Überlastschutz und die Temperaturüberwachung integriert.

Abbildung 8: Schaltungstopologie des OBC, bestehend aus dem PFC-Zwischenkreis (links) und den sekundärseitigen Vollbrücken-CLLLC-Wandlern mit Synchrongleichrichtung (rechts). (Bildquelle: Texas Instruments)

Eine Besonderheit dieses AC/DC-Wandlers ist der HHC, der die Nulldurchgangsverzerrung durch Nachbildung der Spannung am Resonanzkondensator deutlich reduziert. Die Testergebnisse zeigen auch ein besseres Einschwingverhalten, und das Design dieses Regelkreises ist zudem einfacher als die Spannungsregelung mit nur einer Schleife.

Das Beispiel eines Photovoltaik-Wechselrichters zeigt, wie effektiv HHC die Verzerrungen der Brückenschalttransistoren im Nulldurchgang reduziert (Abbildung 9, links) und damit sowohl Emissionen als auch Verzerrungen im Stromnetz eliminiert. Der hohe Klirrfaktor von 7,8 % der 3. Harmonischen der sinusförmigen Netzspannung (Abbildung 9, oben rechts) wird durch den Einsatz von HHC auf 0,9 % reduziert (Abbildung 9, unten rechts).

Abbildung 9: HHC kann die Verzerrung der Brückenschalttransistoren im Nulldurchgang (links) erheblich reduzieren und damit den Klirrfaktor eliminieren. Der hohe Klirrfaktor von 7,8 % der 3. Harmonischen der sinusförmigen Netzspannung (Abbildung 9, oben rechts) wird durch den Einsatz von HHC auf 0,9 % reduziert (Abbildung 9, unten rechts). (Bildquelle: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

Das Schaltungsdesign dieses DC/DC-Wandlers für 6,6 kW basiert übrigens auf dem Referenzdesign TIDA-010062 von TI, während das bereits erwähnte C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK das Design solcher Leistungswandler erleichtert.

Fazit

Die Echtzeit-MCUs der Serie C2000 von Texas Instruments können nahezu jede Steuerungsaufgabe in der Kfz-Leistungselektronik bewältigen. Die Anwendung dieser MCU-Ökosysteme ermöglicht ein zeit- und kosteneffizientes Systemdesign, indem sie die normalerweise verteilte Systemelektronik mit Hilfe leistungsstarker Echtzeit-MCUs zusammenfassen und gemeinsam steuern.

Wie gezeigt, sind intelligente GaN- und SiC-Leistungstreiber relativ einfach zu implementieren. Umfangreiche Bibliotheksfunktionen und vollständig dokumentierte, vorzertifizierte Referenzdesigns erleichtern die Implementierung einer effizienteren FOC-Motorsteuerung und HHC-Steuerung von Umrichtern.