使用 C2000 即時 MCU 開發設計經濟、高能效的 EV 馬達電源控制設計

作者：Jens Wallmann

資料提供者：DigiKey 歐洲編輯群

2022-08-19

現代的電動汽車 (EV) 和油電混合車 (HEV)，對電力電子元件技術的需求正迅速增加，導致設計人員更常面臨著無法克服的任務。由於這類汽車的動力傳動系統和能源轉換系統的能效和功率密度較高，因此需要更為複雜的控制電子元件，這些元件需採用以高切換頻率工作的高效氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC) 技術。除了功能安全性之外，連線的汽車還需符合 IT 層面的安全性要求，並應用韌體空中 (FOTA) 更新等系統介入性措施。

面對開發預算的緊縮和製成品激烈的價格戰，電力電子元件設計人員最終也不得不設法簡化系統設計，包括部署整合度更全面的控制解決方案。

為了幫助應對這些挑戰，本文將探討 Texas Instruments 的 C2000 系列中的汽車型即時微控制器 (MCU) 的一些優勢，這些微控制器非常適合用於 EV 和 HEV 的驅動控制和電力轉換器。本文將簡要介紹 F28003x 控制器系列的功能和介面，然後會深入探討如何在牽引逆變器中實作磁場導向控制 (FOC) 功能，以及在板載充電器中實作磁滯電流控制的方式。

更高效地控制驅動器和電力轉換器

現今的 EV 和 HEV 效能卓越，主要歸功於驅動器和電力轉換器中的電子控制功能。這些子系統使用的即時 MCU，採用複雜的控制演算法和精準的馬達模型，因而能夠快速回應，將延遲控制在微秒 (µs) 之內。如果即時封閉迴路控制速度過慢，錯過了其定義的時間窗，控制迴路的穩定性、精確度和效率將會降低。

為了啟用標準庫中的比例-積分-微分 (PID) 控制器，向量控制器會將三相定子電流系統轉換為二維電流空間向量，以控制磁通量密度和轉子扭矩。快速電流迴路 (圖 1 的藍色箭頭) 應達到小於 1 µs 的控制延遲。

即時 MCU 必須完成所有算數運算示意圖 圖 1：為了達到穩定控制，即時 MCU 必須在每次循環中 (藍色箭頭) 以 1 µs 之內的時間完成所有算數運算。(圖片來源：Texas Instruments)

馬達驅動器整合快速向量控制 (如 FOC) 和高效率的內部永磁同步磁阻馬達 (IPM-SynRM)，相較於傳統的直流馬達 (即永磁同步馬達，PMSM)，可產生較大的扭矩並產生高達 96% 的效率。設計人員可以使用 C2000 系列即時 MCU 與 C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK 軟體以經濟省時的方式，在 IPM-SynRM 的勞倫茲力 (Lorentz force) 和磁阻力之間實作可變的扭矩控制。此外，FOC 還可以非常精確地控制 SynRM (即使缺乏磁鐵或位置感測器)，不僅節省系統成本並減少重量，還可提升馬達過載能力。

對於 AC-DC 電力轉換器，無論是用作 EV 板載充電器 (OBC)，還是反向用作光電逆變器，重點都是要確保電網沒有諧波失真。這種有雜訊的零電壓切換 (ZVS) 可用混合磁滯電流控制 (HHC) 抵消。此時，開發人員還可倚靠 C2000 MCU，使用 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 軟體儲存庫的高效能控制演算法來加速電路設計。

使用 C2000 MCU 簡化 EV 系統設計

為了簡化電力系統設計，Texas Instruments 提供了 C2000 系列即時 MCU，可快速實作複雜的電源控制，以完備的硬體和軟體開發環境設計各種靈活的控制功能。一個 C2000 MCU 就可同時處理板載充電器、DC-DC 轉換器和牽引逆變器，車輛設計人員只需用一半的成本即可實作更小、更經濟實惠的 EV 動力傳動系統。可想而知，它也能在 HVAC、駕駛輔助系統與燃料電池控制器等應用實作上發揮關鍵作用。

系統設計人員可以使用一個強大的 MCU 來控制分散於車輛中的多個電力電子元件和系統元件。TI 網站，特別是 Resource Explorer 與 C2000 Academy，為設計人員提供了豐富的支援，包括規格書、應用說明、評估板、公版設計、訓練影片及開發人員論壇。

TI 已在效能、整合度和成本等方面最佳化專用於 EV 的 F28003x 系列即時控制器。電路設計人員可基於 F280039CSPZ MCU 以 240 MIPS 的處理能力和整合式即時控制周邊裝置，改善馬達控制的精確度與電源轉換系統，而無需使用 FPGA。此外，由於切換頻率更高、磁性元件更小，冷卻面積要求也更低，方便實作的 GaN 和 SiC 技術可減少切換損耗並提高功率密度。

F28003x 系列支援控制器區域網路全雙工 (CAN FD) 通訊，以及多個快速序列介面。384 KB 的整合式快閃記憶體，可提供充足的儲存空間，從而達成物聯網 (IoT) 連線功能。晶片上安全功能，如安全啟動、AES 加密引擎、JTAG 鎖定和硬體內建自我測試 (HWBIST) 等，均可確保連網系統介入措施 (如現場韌體和韌體空中 (FOTA) 更新) 安全且可防止篡改。這些 MCU 皆符合 ASIL B 要求並內建功能性安全機制，可加快應用開發時間以及上市所需的認證流程。圖 2 簡要顯示基本的功能和介面。

Texas Instruments F280039C MCU 的功能方塊圖 圖 2：F280039C MCU 的功能方塊圖顯示快速處理、靈活通訊和感測選項等重點功能，以及安全啟動等安全性支援功能。(圖片來源：Texas-instruments)

TMDSCNCD280039C 是一款適用於 F280039C 的評估板，非常適合進行測試與原型開發。若想使用這款配備 HSEC180 排針座 (180 支引腳的高速邊緣連接器) 的 controlCARD，則需要有 TMDSHSECDOCK 180 支引腳擴充底座。

使用可配置邏輯區塊 (CLB) 實作自訂邏輯

極具創新的可配置邏輯區塊 (CLB)，可讓編程人員將自訂邏輯整合到 C2000 即時控制系統中，而無需使用外部邏輯、FPGA、CPLD 或 ASIC。新增 CLB 後，現有的 C2000 周邊裝置模組 (例如增強型脈寬調變器 (ePWM)、增強型擷取 (eCAP) 或增強型正交編碼器脈衝 (eQEP))，全都可以透過客戶特定的訊號和功能進行擴充。

這些邏輯區塊可透過 C2000Ware 中的 C2000 SysConfig 來設定。您需要使用 SysConfig 工具，這款工具既可從 TI 的 Code Composer Studio (CCS) 整合式開發環境 (IDE) 中獲取，也可作為單獨的工具，搭配其他 IDE 使用 (圖 3)。

CLB 可輕鬆實作自定訂邏輯示意圖 圖 3：CLB 可輕鬆將自定訂邏輯整合到 C2000 即時控制系統中，而無需使用外部邏輯和 FPGA。(圖片來源：Texas Instruments)

C2000Ware 軟體和文件包提供大量特定於元件的驅動程式、資料庫和應用程式範例，並允許使用 CLB 來擴充周邊裝置元件，可最大程度縮短開發時間。

C2000 嵌入式應用程式可基於 CCS IDE 進行程式碼開發和除錯。此工具集包括最佳化 C/C++ 編譯器、原始程式碼編輯器、專案構建環境、除錯器、分析器，以及其他許多功能。直覺化的 IDE 提供單一使用者介面，可引導使用者完成應用開發流程的每個步驟。這些工具和介面採用熟悉的 Eclipse 軟體框架，有助於使用者快速入門。

時脈與測試

在編程或驗證期間，編程人員可以使用嵌入式模式產生器 (EPG) 進行簡單的情境測試，而不必使用 CLB 在複雜的時脈周邊裝置中進行干預。此獨立的 EPG 模組不僅便於產生自訂脈衝模式 (SIGGEN) 和時脈訊號 (CLOCKGEN)，還可擷取和重新調整傳入的序列資料流，或與產生的時脈訊號進行同步。

C2000 即時系統允許編程人員透過嵌入式即時分析與診斷 (ERAD) 模組，以非侵入性方式對關鍵 CPU 匯流排與元件事件進行除錯、監控和分析。該硬體模組在 MCU 匯流排架構中提供了擴充型匯流排比較器以及系統事件計數器 (圖 4)。

ERAD 提供先進匯流排比較器圖片圖 4：ERAD 在 MCU 匯流排架構中提供了先進匯流排比較器和系統事件計數器來造成中斷，並可以非侵入性方式，對即時系統進行除錯。(圖片來源：Texas Instruments)

ERAD 可以獨立地產生系統層級的中斷和標誌，並將其饋入 CLB 等其他周邊裝置。

使用 C2000 MCU 加快實作 FOC 引擎控制

使用向量控制實作 IPM-SynRM 可變扭矩控制十分複雜。演算法必須根據速度和負載扭矩，控制兩個旋轉座標系之間的偏移角度。這樣一來，轉子就可透過相移控制，以電氣方式使旋轉定子磁場領先或延遲達 ±90°，實現 RM 和 PMSM 之間的可變操作。使用 TI 的「馬達控制軟體開發套件」可以快速實作對磁通量密度和轉子扭矩的複雜控制。

此軟體基於 TI 數十年豐富的專業經驗，例如執行於 C2000 馬達控制評估模組 (EVM) 和 TI 設計 (TID) 上的韌體。向量控制使用了兩個關鍵的函數庫，分別是 InstaSPIN-FOC (無需編碼器的 FOC 馬達控制器) 和 DesignDRIVE (需要編碼器的 FOC 馬達控制器)。

InstaSPIN-FOC 的主要特點：

無感測器的扭矩或速度磁場導向控制
以通量、角度、速度和扭矩 (FAST) 軟體觀察器進行轉子估算
能辨識馬達參數
能自動微調觀察器和扭矩控制迴路
效能卓越，適合低速和高度動態應用

FOC 控制迴路的一個特殊功能就是自適應 FAST 演算法。此演算法會自動確定相位電壓和電流的通量密度、電流角度、速度和扭矩 (圖 5)。由於能自動識別馬達參數，設計人員可以快速啟動和執行新馬達，並依靠自動系統對控制迴路進行微調。

圖 5：FOC 控制迴路的一個特殊功能就是自適應 FAST 演算法，此演算法可自動檢測通量密度、電流角度、速度和扭矩。(圖片來源：Texas Instruments)

DesignDRIVE 的主要特點：

有感測器的速度或位置磁場導向控制
位置回授：解角器、增量編碼器和絕對編碼器
電流感測技術：低側分流、線路內電流採樣，以及三角積分濾波器解調
快速電流迴路 (FCL)：最佳化的軟體程式庫，可充分利用硬體資源來加速對系統的採樣、處理和致動，繼而在伺服控制應用中針對給定的 PWM 頻率，達到最高的控制頻寬
即時連接範例

應用範例 1：用一個 MCU 控制牽引逆變器和 DC-DC 轉換器

為降低系統成本和複雜度，汽車製造商往往會將這三個分散式系統元件合併到一個機殼中，並盡量減少 MCU 的數量。但是，這就需要 MCU 具備較高的即時控制效能來管理所有三個元件。為解決此問題，TI 的 TIDM-02009 公版設計展示由一個 F28388DPTPS 即時 MCU EV/HEV 來控制牽引逆變器和雙向 DC-DC 轉換器的組合式設計 (圖 6)。

Texas Instruments 的 C2000 MCU 控制卡圖片 圖 6：僅用一個 C2000 MCU 控制卡 (左下) 控制牽引逆變器 (左上) 和 DC-DC 轉換器 (右)。(圖片來源：Texas Instruments)

牽引逆變器使用基於軟體的解角器至數位轉換器 (RDC)，將馬達驅動率達每分鐘 20,000 轉的高轉速 (rpm)。其功率級包括 Wolfspeed 公司基於 SiC FET 的 CCS050M12CM2 六向電源模組，且由 TI UCC5870QDWJRQ1 智慧型閘極驅動器所驅動。在比較器子系統 (CMPSS) 中，先進的 PWM 模組內建有斜率補償並產生 PCMC 波形。電壓感測路徑使用 TI 輸入為 2 V 的 AMC1311QDWVRQ1 超高隔離度放大器；而電流感測路徑則使用 TI 輸入為 ±50 mV 的 AMC1302QDWVRQ1 超高隔離度精密放大器。

DC-DC 轉換器採用具有相移全橋拓撲 (PSFB) 和同步整流 (SR) 的峰值電流模式控制 (PCMC) 技術。其雙向性具有一項優勢，即轉換器可預先為直流匯流排電容充電，而無需限流繼電器和串聯電阻。這種 CAN FD 式抗干擾的通訊功能由內建的 TCAN4550RGYTQ1 控制器收發模組提供。

應用範例 2：高效的雙向 6.6 kW AC-DC 轉換器

對於相對高功率的輸出，PMP22650 給出一個基於 GaN FET、可處理 6.6 kW 功率的雙向單相 AC-DC 轉換器公版設計。充電器 OBC 可利用電網電力為牽引電池充電，並可反向為直流鏈電容預先充電。此元件將一次側 28 A 的 240 V AC 電壓轉換成二次側 19 A 的 350 V DC。

以 120 kHz 切換頻率運作的雙相圖騰柱功率因數校正 (PFC) 鏈，以及全橋 CLLLC (C= 電容，L=電感) 拓撲和隨後的同步整流全都由一個 F28388DPTPS MCU 控制。CLLLC 轉換器使用頻率和相位調變來調節輸出，並以 200 kHz 至 800 kHz 的可變頻率工作。

在圖 7，配套的 TMDSCNCD28388D 控制卡 (中) 控制一次側 PFC 中間電路 (左)，和二次側全橋 CLLLC 轉換器以及同步整流 (右)。此設計的線路圖如圖 8 所示。

Texas Instruments 的 TMDSCNCD28388D 控制卡圖片 圖 7：TMDSCNCD28388D 控制卡 (中) 控制一次側 PFC 鏈 (左)，和二次側全橋 CLLLC 轉換器及同步整流 (右)。(圖片來源：Texas Instruments)

使用新開發的 LMG3522R030-Q1 高速 GaN FET 時，在全功率下的效率可達 96%，開放式功率密度可達 3.8 kW/L。功率因數為 0.999，總諧波失真 (THD) 小於 2%。LMG3522 的替代產品是 LMG3422R030RQZT GaN FET，同樣符合汽車標準，其切換電壓為 600 V， R_ds(ON) 為 30 mΩ。還整合閘極驅動器、過載保護和溫度監控功能。

圖 8：OBC 的電路拓撲由 PFC 中間電路 (左) 和二次側全橋 CLLLC 轉換器及同步整流 (右) 構成。(圖片來源：Texas Instruments)