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一種電機控制專用電路技術(shù):提高未來電動車能源效率
一種電機控制專用電路技術(shù):提高未來電動車能源效率 2017年2月7日,全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子株式會社(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
2017年2月7日,全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子株式會社(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(shù),可助力車廠滿足更嚴(yán)苛的碳排放標(biāo)準(zhǔn)。
這種新開發(fā)的技術(shù)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(guān)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(guān)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(jìn)一步提高電動車的應(yīng)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(jìn)行機械性改進(jìn),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?、混合動力車以及插電式混合動力車的電子控制單元需要非常領(lǐng)先的功能和復(fù)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(fù)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(yīng)性能,如采集傳感器數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)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(fù)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(shù)的關(guān)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(shù)
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(chǔ)上會生成PWM輸出(注3)。當(dāng)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,產(chǎn)生的總處理負(fù)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(dān)CPU的處理負(fù)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(yīng)由CPU處理的負(fù)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0.8μs,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(shè)備,新技術(shù)實現(xiàn)的處理性能可滿足具備高速開關(guān)性能的逆變器控制要求(性能示例:100kHz開關(guān)頻率,控制周期10μs),包括使用以碳化硅等新材料制成的電源設(shè)備的逆變器。
(2) 專業(yè)技術(shù)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(shù)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(fù)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(shù)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(fù)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(shù)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(rèn)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(shù)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(dāng)?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(shù)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(fù)雜的計算,包括三角函數(shù),進(jìn)行坐標(biāo)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(shè)備。
(注4)預(yù)計下一代系統(tǒng)將需要12.5μs的控制周期。CPU負(fù)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(fù)荷的計算值假設(shè)電機以100,000rpm的速度運行時,在一個轉(zhuǎn)動持續(xù)期間檢測到故障。
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