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。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有的能源，高集成度有助于實現更精簡和低成本的電機控制系統。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。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有的能源，高集成度有助于實現更精簡和低成本的電機控制系統。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。混合動力汽車和電動汽車的核心要素是傳動系統中的電機，該電機在混合動力汽車中與傳統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，而這是傳動系統中基本且首要的。目前的挑戰是實現電機、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優化電機整流。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實現。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電壓。在轉子磁環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散。可以通過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，在光學系統中都是不利的。
分解器
分解器是一款在汽車行業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。通過增加極對數可以實現更高的分辨率。
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)傳輸到兩個傳感器線圈，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字轉換器(RDC)，它用來從模擬數據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越，但它們更耐用，在污垢和極端溫度等環境下能提供更好的保護。即便在靜止的狀態下，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行的軸角數字轉換器。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。外部軸角數字轉換器通常經串行外設接口(SPI)連接到微控制器。根據系統設計和軸角數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。
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據，而且必須始終從外部軸角數字轉換器中獲得(如圖3所示)。這樣不僅相對較慢，而且可能引發錯誤，而這些錯誤可能會對整個系統的功能安全產生負面影響。
圖3：配備外部集成軸角數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)。軸角數字轉換器的集成形成了極簡的系統架構。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一起運作。為了將以這種方式開發的算法轉移到傳統的微控制器，浮點數必須轉化為整數。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狀態而不影響車輛的安全性。
但是，如何監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，來監測分解器發出或傳入的所有信號，這樣便可以快速準確地發現線纜的破損和中斷，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，這與帶外部軸角數字轉換器的系統不同，在這類系統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域未經授權的訪問。集成CRC(循環冗余校驗)發電器(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絡，一旦發現不正常的情況，從屬MCU可以啟動系統復位或切斷電機電源。主控MCU產生電機通信信號，測量和監控相電流，發出旋變信號，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據。
逆變器通過內部網絡(CAN或FlexRay)與電池管理系統通信，以確保提供所需的能源。
節能對混合動力汽車和電動汽車至關重要，任何需要持續能源供應的系統，例如液壓助力轉向系統，都會長期將過度壓力施加于儲能系統。液壓系統持續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據，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。對于電子穩定控制裝置而言，完全可以通過轉向干預來主動調節車輛的穩定性。可以設想，EPS成為驅動輔助系統的一部分，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，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。技術開發也一直在向前推進，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更加精簡、經濟，這些系統可用于以上應用中，并超越這里所列舉的應用。通過集成芯片上的軸角數字轉換器，MB91580電機控制MCU系列降低系統成本，提供高度集成，提高系統性能效率，從而展現更多優勢。
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