השתמש ביחידות MCU זמן-אמת C2000 כדי לפתח תכני בקרת הספק של מנוע EV, יעילים אנרגטית ומבחינת עלות

הדרישות הטכניות הגדלות במהירות מהאלקטרוניקה ההספקית של כלי רכב חשמליים (EVs) וכלי רכב היברידיים (HEVs) מציגות למתכננים משימה שכמעט לא ניתן להתגבר עליה. היעילות האנרגטית וצפיפות ההספק הגבוהות יותר של מערכות הינע והמרת אנרגיה דורשות אלקטרוניקת בקרה מורכבת יותר הכוללת טכנולוגיות גאליום ניטריד (GaN‏) וסיליקון קרביד (SiC‏) נצילות הפועלות בתדרי מיתוג גבוהים. בנוסף לבטיחות פונקציונלית, כלי רכב מקושרים עובדים גם תחת דרישות אבטחה ברמת IT ומישמים התערבויות מערכת כמו עדכוני קושחה-דרך-האוויר (FOTA‏).

לנוכח תקציבי פיתוח הדוקים ותמחור מוצר סופי תחרותי, מתכנני אלקטרוניקה הספקית נאלצים לבסוף למצוא דרכים לפשט תכנון מערכת, כולל הפריסה של יותר פתרונות בקרה משולבים.

כדי לסייע בעמידה באתגרים אלה, מאמר זה דן בחלק מהיתרונות של מיקרו-בקרי (MCUs) זמן-אמת תואמי-רכב מסדרת C2000‏ של Texas Instruments המתאימים עבור בקרות הנע וממירי כוח ברכבי EV‏ ו-HEV‏. לאחר‏ סקירה פונקציונלית וממשקית קצרה של משפחת הבקרים F28003x, המאמר מספק תובנה במימוש בקרה מוכוונת-שדה (FOC) במהפך כוח המשיכה (traction inverter) ובקרת זרם היסטרטי במטען שברכב.

יותר נצילות עבור הנע וממירי כוח מבוקרים

הביצועים הראוים לציון של רכבי ה-EV‏ וה-HEV של היום, במידה רבה הם תוצאה של הבקרה האלקטרונית בהנע וממירי כוח. יחידות MCU זמן-אמת המשמשות בתת-מערכות אלו משתמשות באלגוריתמים מורכבים של בקרה ומודלים מדויקים של מנוע כדי להגיב במהירות רבה מאוד, עם שיהוי בקרה של מספר מיקרו-שניות (µs) בלבד. אם בקרת זמן-אמת בחוג-סגור היא איטית מדי ומחמיצה את חלון הזמן המוגדר שלה, יש ירידה בביצועים מבחינת יציבות חוג הבקרה, דיוק ונצילות.

כדי לאפשר את השימוש בבקרי proportional-integral-derivative‏ (PID) מספריות סטנדרטיות, בקרי וקטור הופכים את מערכת זרם הסטטור התלת-פאזית לוקטור מרחב זרם דו-ממדי לבקרת צפיפות שטף מגנטי ומומנט סיבוב רוטור. ‏חוג זרם מהיר (חץ כחול באיור 1‏) אמור להשיג‏ שיהוי בקרה של פחות מ-1‎ µs‏.

איור 1‏: עבור בקרה יציבה, יחידת‏ MCU זמן-אמת חייבת להשלים את כל הפעולות האריתמטיות למסלול חוג (חץ כחול‏) בפחות מ-1‎ µs‏. (מקור תמונה: Texas Instruments)

על ידי שילוב של בקרת וקטור מהירה כגון FOC ומנוע ‏רתיעה (reluctance motor) סינכרוני מגנט קבוע פנימי (IPM-SynRM) נציל במידה רבה, דוחפי מנוע משיגים מומנטים של סיבוב גבוהים ועד 96% נצילות בהשוואה למנוע זרם-הישר הקלאסי (כלומר, המנוע הסינכרוני מגנט קבוע, או PMSM‏). מתכננים יכולים לממש בקרת מומנט משתנה בין כוח ה-Lorentz וכוח הרתיעה של ה-IPM-SynRM על ידי שימוש ב-MCU זמן-אמת מסדרת C2000 ותוכנת C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK באופן יעיל מבחינת זמן ועלות. ה-FOC גם מאפשר לבקר מנועי SynRM בדיוק גבוה—אפילו ללא מגנטים או חיישני מיקום—תוך חיסכון בעלות ומשקל מערכת, ועושה את המנוע לעמיד יותר לעומס-יתר.

עבור ממירי כוח AC-DC‏ הפועלים כמטענים ברכב EV ‏(OBCs), או באופן הפוך כמהפכים פוטו-וולטאיים, חשוב לשמור על רשת החשמל נקי מעיוותים הרמוניים. מיתוג במתח-אפס (ZVS‏) לא נקי זה ניתן לנטרל באמצעות בקרה היסטרטית היברידית (HHC) של זרם. כאן, מפתחים יכולים גם לסמוך על יחידות C2000 MCU‏ להאיץ תכנון מעגל על ידי יישום אלגוריתמים של בקרה בעלי ביצועים-עיליים ממאגר התוכנה C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK.

פשט תכנון מערכת EV תוך שימוש ביחידות C2000 MCU

כדי לפשט תכנון מערכת כוח, Texas Instruments מציעה את סדרת ה-C2000 של יחידות MCU עבור מימוש מהיר של בקרות הספק מורכבות, ובכך מסיעת לתכנון בקרות גמישות מגוונות הודות לסביבת פיתוח מקיפה של חומרה ותוכנה ‏. יחידה בודדת של C2000 MCU‏ מאפשרת למתכנני כלי רכב לממש מערכות הינע EV קטנות ומשתלמות יותר בחצי העלות מאחר והן מתוכננות לטפל בו-זמנית במטענים, ממירי DC-DC‏ ומהפכי כוח משיכה (traction inverters) ברכב. יישומים כגון HVAC, מערכות סיוע לנהג ובקרת תאי דלק גם כן מתקבלים על הדעת.

מתכנני מערכת יכולים להשתמש ביחידת MCU‏ חזקה יחידה כדי לבקר אלקטרוניקה הספקית ורכיבי מערכת מרובים המפוזרים ברכב. אתר האינטרנט של TI, במיוחד ה-Resource Explorer‏ וה-C2000 Academy, מספקים למתכננים שפע של תמיכה בצורה של גיליונות נתונים, דפי יישום, לוחות ההערכה, תכני ייחוס, סרטוני הדרכה ופורום מפתחים.

TI מטבה את משפחת ה-F28003x של בקרי זמן-אמת במיוחד עבור שימוש ברכבי EV‏ במונחים של ביצועים, אינטגרציה ועלות. על ידי הצעת כוח עיבוד של ‎240 MIPS ורכיבים היקפיים משולבים של בקרת זמן-אמת, מתכנני מעגלים יכולים לשפר את הדיוק והיעילות האנרגטית של בקרת המנוע ומערכת המרת הכוח שלהם בהתבסס על יחידת F280039CSPZ MCU—ללא הצורך ב-FPGA‏. נוסף לכך, ‏טכנולוגיית GaN‏ ו-SiC‏ הקלה-למימוש מפחיתה הפסדי מיתוג ומגדילה צפיפות הספק הודות לתדרי מיתוג גבוהים יותר, רכיבים מגנטיים קטנים יותר ודרישה לשטח קירור קטן יותר.

סדרת ה-F28003x תומכת בתקשורת Controller Area Network Full Duplex‏ (CAN FD) כמו גם במספר ממשקים טוריים מהירים. זיכרון Flash‏ משולב של 384 קילו-בייט (Kbytes‏) מציע שפע של רזרבות למימוש של פונקציות אינטרנט-של-דברים (IoT‏) מרושתות. מאפייני אבטחה על-שבב כמו אתחול מאובטח (Secure Boot), מנוע הצפנה‏ AES‏, נועל JTAG ובדיקה-עצמית חומרה מובנית (HWBIST) מבטיחים שהתערבויות מערכת מרושתת כגון עדכונים חיים של קושחה וקושחה-דרך-האוויר (FOTA‏) מאובטחים מפני חבלה. יחידות ה-MCU עומדות בדרישות ASIL B‏ והן בעלות בטיחות פונקציונלית מובנית, מאיצות זמן פיתוח יישום כמו גם הסמכה הכרחית להשקה בשוק. איור 2‏ מספק‏ סקירה כללית של פונקציות חיוניות וממשקים.

איור 2‏: דיאגרמת מלבנים של ה-F280039C MCU המראה מאפיינים עיקריים כגון עיבוד מהיר, תקשורת גמישה ואפשרויות חישה, ותמיכת אבטחה כמו אתחול מאובטח (Secure Boot). (מקור תמונה: Texas-instruments)

ה-TMDSCNCD280039C, שהוא אידיאלי עבור בדיקה ואב-טיפוס, הוא לוח הערכה מתאים עבור ה-F280039C. כדי להפעיל controlCARD‏ זה המצויד בפס-פינים‏ HSEC180‏ (מחבר שפה 180-פינים מהירות-גבוהה), דרושה תחנת עגינה (docking station‏)‏ TMDSHSECDOCK ‏180-פינים.

בלוקים לוגיים ניתנים להגדרת תצורה (CLBs) עבור לוגיקה מותאמת-במיוחד

בלוקים לוגיים ניתנים להגדרת תצורה (CLBs) חדשניים מאפשרים למתכנתים לשלב לוגיקה מותאמת-במיוחד במערכת הבקרה זמן-אמת C2000 תוך ביטול לוגיקה חיצונית, רכיבי FPGA, ‏CPLD או ASIC. על ידי הוספת CLB, מודולים היקפיים C2000‏ קיימים, כמו מאפנן רוחב פולס משופר (ePWM), לכידה משופרת (eCAP), או פולס אנקודר רביעוני (Quadrature‏) (eQEP), ניתנים להרחבה עם אותות ופונקציות מיוחדות-ללקוח.

הבלוקים הלוגיים מוגדרים דרך C2000 SysConfig, שזמין בתוך C2000Ware. זה דורש את כלי ה-SysConfig שהוא חלק מסביבת פיתוח משולבת (IDE) ‏Code Composer Studio‏ (CCS) של TI או זמין ככלי עצמאי לשימוש עם סביבות IDE אחרות (איור 3‏).

איור 3: בלוקים CLB מקלים על מימוש לוגיקה מותאמת-במיוחד במערכת הבקרה זמן-אמת C2000, מונעים את הצורך בלוגיקה חיצונית ורכיבי FPGA. (מקור תמונה: Texas Instruments)

תוכנת ה-C2000Ware וחבילת התעוד מצמצמות זמן פיתוח על ידי אספקת מנהלי התקן, ספריות ודוגמאות יישום נרחבים ספציפיים-להתקן וגם על ידי הרחבת התקנים היקפיים על ידי שימוש בבלוקים CLB.

הבסיס עבור פיתוח קוד וניפוי-באגים של יישומי C2000‏ משובצים הוא CCS IDE. אוסף הכלים כולל‏ קומפיילר אופטימיזציה ++C/C‏, עורך קוד מקור, סביבת בניית פרויקט, מנפה-באגים (Debugger), יוצר פרופילים ומאפיינים רבים אחרים. ה-IDE האינטואיטיבי מספק ממשק משתמש יחיד המדריך משתמשים בכל צעדי פיתוח יישום. כלים וממשקים מוכרים המבוססים על מסגרת תוכנת ה-Eclipse תורמים בלאפשר למשתמשים להתחיל בצעדים ראשונים במהירות.

קביעת תזמון (Clocking) ובדיקה

במקום להתערב בפריפריית שעון מורכבת תוך שימוש בבלוקים CLB, מתכנתים יכולים להשתמש ב-Embedded Pattern Generator‏ (EPG) עבור תרחישי בדיקה פשוטים בזמן תכנות או תיקוף. מודול ה-EPG העצמאי מסייע ביצירת תבניות פולסים מותאמות-במיוחד (SIGGEN) ואותות שעון (CLOCKGEN), אך הוא יכול גם ללכוד ולעצב מחדש זרם נתונים טורי נכנס‏ או לסנכרן עם אותות שעון נוצרות.

עבור ניפוי באגים והניטור ויצירת הפרופיל של אפיקי CPU קריטיים וארועי התקן בדרך לא פולשנית במערכת זמן-אמת C2000, משתמשים ב-Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics ‏(ERAD). מודול החומרה מציע משווני אפיק מורחבים ומונים של ארועי מערכת הממוקמים בתוך ארכיטקטורת אפיק ה-MCU (איור 4‏).

איור 4‏: ERAD מספק משווני אפיק מתקדמים ומונים של ארועי מערכת עבור יצירת פסקים (Interrupt‏), שוכן בתוך ארכיטקטורת אפיק ה-MCU, ומאפשר ניפוי-באגים של מערכת הזמן-אמת באופן לא-פולשני. (מקור תמונה: Texas Instruments)

ERAD יכול לחולל באופן עצמאי פסקים (Interrupts) ודגלונים (Flags) ברמת-מערכת ולהזינם אל תוך רכיבים היקפיים כגון ה-CLB.

ממש בקרי מנוע FOC מהר יותר תוך שימוש ביחידות C2000 MCU

המימוש של בקרת מומנט הסיבוב המשתנה של‏ IPM-SynRM תוך שימוש בבקרת‏ וקטור הוא מורכב. תלוי במהירות ובמומנט העומס, האלגוריתם חייב לבקר את זווית ההיסט (Offset) בין שתי מערכות קואורדינטות מסתובבות. לכן, הרוטור יכול להקדים את השדה המגנטי המסתובב של הסטטור או לפגר אחריו בעד ±90° באמצעות בקרה מוסטת-פאזה, בכך לאפשר פעולה משתנה בין RM ו-PMSM‏. הבקרה המורכבת של צפיפות שטף מגנטי ומומנט רוטור ניתנת למימוש מהיר על ידי שימוש בערכת Motor Control Software Development Kit של TI.

התוכנה, המבוססת על עשורים של מומחיות משולבת, כוללת קושחה הרצה על מודולי הערכה בקרת מנוע (EVMs)‏ C2000‏ ותכני TI‏ (TIDs). שתי ספריות פונקציה עיקריות עבור בקרת וקטור הן InstaSPIN-FOC (בקרי מנוע FOC ללא אנקודרים) ו-DesignDRIVE (בקרי מנוע FOC הדורשים אנקודרים).

מאפיינים עיקריים של InstaSPIN-FOC:

• FOC מומנט סיבובי או מהירות ללא-חיישנים
• משקיף תוכנה על שטף (Flux), זווית, מהירות ומומנט סיבובי (FAST) עבור הערכות רוטור
• זיהוי פרמטרים של מנוע
• משקיף וכוונון אוטומטי של חוג בקרת מומנט סיבובי
• ביצועים עיליים עבור מהירות נמוכה ויישומים מאוד דינמיים

מאפיין‏ מיוחד של חוג הבקרה FOC הוא אלגוריתם ה-FAST האדפטיבי. זה מזהה אוטומטית צפיפות שטף, זווית נוכחית, מהירות נוכחית ומומנט סיבוב נוכחי ממתחי וזרמי הפאזות (איור 5‏). הודות לזיהוי אוטומטי של הפרמטרים של המנוע, מתכננים יכולים להביא במהירות מנוע חדש למצב עבודה ולסמוך על המערכת האוטומטית שתבצע כוונון-עדין של חוג הבקרה.

איור 5: מאפיין‏ מיוחד של חוג הבקרה FOC הוא אלגוריתם ה-FAST האדפטיבי, שמזהה אוטומטית צפיפות שטף, זווית נוכחית, מהירות נוכחית ומומנט סיבוב נוכחי. (מקור תמונה: Texas Instruments)

מאפיינים עיקריים של DesignDRIVE:

• FOC מהירות או מיקום עם-חיישנים
• משוב מיקום: שנאי Resolver, אנקודרים אינקרמנטליים ואבסולוטיים
• טכניקות חישת זרם: מצד (Shunt) צד-נמוך, דגימת זרם בקו ומסנן סיגמא-דלתא
• Fast current loop‏ (FCL): ספריית תוכנה ממוטבת המפיקה את מלוא התועלת ממשאבי חומרה כדי להאיץ את הדיגום, העיבוד וההפעלה של המערכת כדי להשיג את רוחב-פס הבקרה הגבוה ביותר עבור תדר PWM נתון ביישומי בקרת סרוו
• דוגמאות קישוריות זמן-אמת

דוגמת יישום 1: יחידת MCU אחת מבקרת מהפך כוח משיכה (traction inverter) וממיר DC-DC‏

יצרני רכב נוטים למזג את רכיבי שלוש המערכות המפוזרות בשלדה אחת ולהקטין למינימום את מספר יחידות ה-MCU כדי להקטין למינימום עלות ומורכבות מערכת. עם זאת, זה דורש MCU עם ביצועי בקרת זמן-אמת עיליים כדי לנהל את שלושתן.‏ כדי לענות על צרכים אלה, תכן הייחוס TIDM-02009 של TI מדגים את התכן המשולב של מהפך כוח משיכה (traction inverter)‏ EV/HEV וממיר DC-DC‏ דו-כיווני מבוקר על ידי יחידת MCU זמן-אמת F28388DPTPS יחידה (איור 6‏).

איור 6‏: כרטיס C2000 MCU אחד בלבד של לוח הבקרה (תחתון שמאלי) מבקר את מהפך כוח המשיכה (traction inverter) (עליון שמאלי) וממיר ה-DC-DC (ימין). (מקור תמונה: Texas Instruments)

מהפך כוח המשיכה (traction inverter) משתמש בממיר resolver-לדיגיטלי (RDC‏) לדחיפת המנוע למהירות גבוהה של עד 20,000 סיבובים לדקה (rpm‏). דרגת ההספק שלו מורכבת ממודול הספק שישה-כיוונים CCS050M12CM2 של Wolfspeed המבוסס על טרנזיסטורי FET‏ SiC‏, נדחף על ידי דוחף שער חכם‏ TI UCC5870QDWJRQ1. מודול PWM ‏עדכני ביותר עם קיזוז שיפוע משולב בתת-המערכת משוון (CMPSS) מחולל את צורת הגל PCMC. נתיב חישת המתח משתמש במגברי בידוד-גבוה-במיוחד AMC1311QDWVRQ1 של TI עם כניסות של 2 וולט, ונתיב חישת הזרם משתמש במגברי דיוק בידוד-גבוה-במיוחד AMC1302QDWVRQ1 של TI עם כניסות של ±50 מילי-וולט (mV‏).

ממיר ה-DC-DC‏ משתמש בטכנולוגיית בקרת מצב זרם שיא (PCMC) עם טופולוגיית גשר-שלם מוסט פאזה (PSFB) ויישור סינכרוני (SR). לדו-הכיווניות שלו יש את היתרון שהממיר טוען מראש את קבל אפיק ה-DC, מבטל את הצורך בממסרי הגבלת-זרם ונגדים טוריים.‏ תקשורת חסינת-ההפרעות המבוססת על CAN FD‏ מסופקת על ידי מודול המקמ"ש בקר TCAN4550RGYTQ1 המשולב.

דוגמת יישום 2: ממיר AC-DC דו-כיווני 6.6‎ kW‏‏ נציל‏

עבור יציאות בהספק-גבוה יחסית, ה-PMP22650 מייצג תכן ייחוס מבוסס-‏GaN FET עבור ממיר AC-DC חד-פאזי דו-כיווני המטפל בהספק של 6.6 קילו-וואט (kW‏‏). מטען ה-OBC יכול לטעון את מצבר כוח המשיכה בכוח מרשת החשמל, ובאופן הפוך, לטעון מראש את קבל ה-DC link. ההתקן ממיר 240 וולט AC‏ ב-28 אמפר (A‏) בצד הראשוני ל-350 וולט DC ב-‏19‎ A‏ בצד השניוני.

יחידת F28388DPTPS MCU בודדת מבקרת את הקישור מתוקן גורם ההספק (PFC) ה-‏Totem-Pole‏ הדו-פאזי העובד בתדר מיתוג של 120 קילו-הרץ (kHz), וטופלוגיית גשר-שלם CLLLC ‏(C = קבל, L = סליל) שלאחריו יישור סינכרוני. ממיר ה-CLLLC משתמש באפנון תדר כמו גם פאזה עבור ויסות היציאה, ועובד בתדר משתנה מ-kHz‏ 200‏ עד kHz‏ 800‏.

באיור 7‏, כרטיס הבקר התואם TMDSCNCD28388D (מרכז) מבקר את מעגל הביניים PFC צד-ראשוני (שמאל) ואת ממיר ה-CLLLC גשר-שלם צד-שניוני עם יישור סינכרוני (ימין). השרטוט של תכן זה מוצג באיור 8.

איור 7‏: כרטיס הבקר TMDSCNCD28388D (מרכז) מבקר את קישור ה-PFC צד-ראשוני (שמאל) ואת ממיר ה-CLLLC גשר-שלם צד-שניוני עם יישור סינכרוני (ימין). (מקור תמונה: Texas Instruments)

נצילות של עד 96% בהספק מלא ‏וצפיפות הספק מסגרת-פתוחה של ‎3.8 kW/liter‏ מתאפשרים על ידי השימוש בטרנזיסטורי GaN FET מהירות-גבוהה LMG3522R030-Q1 שפותחו לאחרונה. גורם ההספק הוא 0,999 עם עיוות הרמוני כולל (THD) של פחות מ-2%. חלופה ל-LMG3522 הוא ה-LMG3422R030RQZT GaN FET, גם כן מאושר לרכב, עם מתח מיתוג של 600 וולט ו-(R_ds(ON של 30 מילי-אוהם (mΩ‏). הוא גם משלב את דוחף השער, הגנת עומס-יתר וניטור טמפרטורה.

איור 8: טופולוגיית מעגל של ה-OBC מורכבת ממעגל הביניים PFC (שמאל) וממירי ה-CLLLC גשר-שלם צד-שניוני עם יישור סינכרוני (ימין). (מקור תמונה: Texas Instruments)

מאפיין‏ מיוחד של ממיר AC-DC זה הוא‏ ה-HHC, שמשמעותית מפחיתה עיוותי חציית-אפס על ידי אמולציית המתח על קבל התהודה. תוצאות הבדיקה גם מראות תגובה טובה יותר לטרנזיינט, והתכנון של חוג בקרה זה הוא גם פשוט יותר מבקרת מתח חוג-יחיד.

הדוגמה של מהפך‏ פוטו-וולטאי מראה באיזו אפקטיביות HHC מפחיתה עיוותים של טרנזיסטורי מיתוג בחציית-אפס (איור 9‏, שמאל), ובכך מונעת פליטה כמו גם עיוותים על רשת החשמל. ה-THD הגבוה של 7.8% של ההרמוניה השלישית על מתח הרשת הסינוסואידאלי (איור 9‏, ימין עליון) מופחת ל-0.9% על ידי שימוש ב-HHC (איור 9‏, ימין תחתון).

איור 9‏: HHC יכולה להפחית משמעותית את העיוותים של טרנזיסטורי מיתוג הגשר בחציית-אפס (שמאל) ובכך למנוע THD. ה-THD הגבוה של 7.8% של ההרמוניה השלישית על מתח הקו הסינוסואידאלי (ימין עליון) מופחת ל-0.9% (ימין תחתון) על ידי שימוש ב-HHC. (מקור תמונה: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com‏)

דרך אגב, תכנון המעגל של ממיר DC-DC‏ 6.6‎ kW זה מבוסס על תכן ייחוס‏ TIDA-010062 של TI, בעוד ה-C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, המוזכר קודם, מסייע לתכנון של ממירי כוח כאלה.

מסקנה

יחידות MCU זמן-אמת מסדרת C2000 של Texas Instruments‏ יכולות להתמודד עם כמעט כל משימת בקרה באלקטרוניקה הספקית של רכב. היישום של מערכות-אקולוגיות MCU אלו מאפשר תכנון מערכת במגבלות הזמן ובאופן משתלם על ידי קיבוץ ובקרה משותפת של מה שבדרך כלל היא אלקטרוניקת מערכת מבוזרת, תוך שימוש ביחידות MCU זמן-אמת.

כמתואר, דוחפי הספק חכמים GaN‏ ו-SiC‏ הם יחסית קלים למימוש. פונקציונליות ספריה נרחבת ומתועדת במלואה ותכני ייחוס מוסמכים-מראש מסייעים לממש בקרת מנוע FOC נצילה יותר ובקרת HHC של ממירים.