作者：Thomas Hafner

汽車(chē)微控制器軟件營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

Günter A. Hank

32位汽車(chē)微控制器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

英飛凌科技

長(zhǎng)期以來(lái)，諸如永磁同步電機(jī)(PMSM)和感應(yīng)電機(jī)等三相交流電機(jī)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。在汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，這些電機(jī)還是相對(duì)時(shí)新的裝置，目前正被逐漸用作傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的補(bǔ)充品或替代品。PMSM采用的繞組為三相正弦分布繞組和機(jī)械位移繞組。三相正弦波和時(shí)間位移電流可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)(逆變器中的)MOSFET切換電機(jī)繞組的電流而產(chǎn)生。磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法為電機(jī)電流控制生成PWM模式。轉(zhuǎn)子的位置和電流持續(xù)不斷地被檢測(cè)?；诟咝阅芪⒖刂破鞯母咝OC系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)提供安全高效的解決方案創(chuàng)造了條件(圖1)。

圖1：運(yùn)行于FOC模式的32位TriCore微控制器。

AUDO MAX產(chǎn)品系列的PWM生成方式

英飛凌的32位AUDO MAX系列微控制器內(nèi)裝一枚主內(nèi)核(TriCore CPU，淺綠色)和一枚快速協(xié)處理器(被稱(chēng)為PCP，深綠色)。這種非對(duì)稱(chēng)架構(gòu)能夠利用PCP高效處理外圍設(shè)備，而無(wú)需中斷在TriCore CPU上運(yùn)行主算法的處理進(jìn)程。PCP負(fù)責(zé)處理關(guān)鍵的實(shí)時(shí)中斷負(fù)荷，因此可減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

有兩種方案可以生成驅(qū)動(dòng)逆變器的PWM。GPTA可生成非常復(fù)雜的PWM模式，例如非對(duì)稱(chēng)死區(qū)時(shí)間生成或定制模式。外設(shè)模塊CCU6是一個(gè)低端方案，可用于生成中心對(duì)齊和邊緣對(duì)齊的PWM模式。相比GPTA而言，CCU6可以以較低的軟件開(kāi)銷(xiāo)直接支持PWM信號(hào)生成，同時(shí)，無(wú)需配置多個(gè)定時(shí)器單元。

CCU6和GPTA這兩個(gè)模塊都具備觸發(fā)功能，能夠讓PWM信號(hào)和A/D電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)無(wú)延遲的等時(shí)同步(參見(jiàn)箭頭“觸發(fā)事件”)。作為一個(gè)附加的安全特性，每個(gè)GPTA模塊都配有“緊急模式停止信號(hào)”，可用于設(shè)置安全開(kāi)關(guān)。針對(duì)TriCore AUDO MAX微控制器系列的所有成員，提供了一個(gè)基于PRO-SIL的安全平臺(tái)，它包含硬件(安全看門(mén)狗CIC61508)和軟件(SafeTcore驅(qū)動(dòng)程序)，可滿(mǎn)足ASIL認(rèn)證的B級(jí)至D級(jí)要求。

通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量電流

圖1所給示例對(duì)電機(jī)的兩個(gè)相電流進(jìn)行了測(cè)量，并采用了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換?；谥鸫伪平拇嫫?SAR)，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器具備很高的精度(12位分辨率)，并且轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1微秒。由兩個(gè)已知的相電流可以計(jì)算出第三個(gè)相電流。針對(duì)更高的安全要求，建議對(duì)電機(jī)的第三個(gè)相電流進(jìn)行額外的測(cè)量。針對(duì)這一應(yīng)用，帶有第三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的微控制器可供選擇。

連接旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器

旋轉(zhuǎn)變壓器將PMSM轉(zhuǎn)子的角位移轉(zhuǎn)換為一個(gè)電氣值。一般情況下，可利用一個(gè)附加的正切函數(shù)電路從兩個(gè)信號(hào)(正弦/余弦)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的角度值。旋轉(zhuǎn)變壓器電路的信號(hào)輸出至SPI總線，也可由微控制器直接讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號(hào)。還有一種可選的方式是讀取編碼器信號(hào)，在運(yùn)行于微控制器GPT12的編碼器接口中對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，再反饋到控制算法。

AUTOSAR之外重復(fù)利用汽車(chē)電子軟件

近年來(lái)，汽車(chē)電子軟件和通信已通過(guò)OSEK、AUTOSAR、FlexRay等規(guī)范而標(biāo)準(zhǔn)化。除標(biāo)準(zhǔn)化軟件成分以外，汽車(chē)電子系統(tǒng)還使用了可在多種應(yīng)用中被重復(fù)利用的控制算法。如今，電機(jī)控制由分布在汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán)和動(dòng)力總成系統(tǒng)各處的電子控制單元(ECU)來(lái)完成。

MC-ISAR eMotor驅(qū)動(dòng)程序提取了三相電機(jī)應(yīng)用中電流控制的一般特性，設(shè)計(jì)用于支持多種位置信息采集模式和逆變器控制裝置。

三相電機(jī)控制

英飛凌AUDO MAX系列非常適用于電機(jī)的控制。TriCore架構(gòu)和MC-ISAR eMotor驅(qū)動(dòng)程序可采用高級(jí)控制策略控制多臺(tái)三相電機(jī)，包括無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)塊交換(block commutation，BC)及永磁同步電機(jī)(PMSM)磁場(chǎng)定向控制(FOC)。

單一微控制器甚至還能同時(shí)支持BLDC和PMSM電機(jī)控制。相比于其他類(lèi)型的電機(jī)而言，采用FOC控制的PMSM電機(jī)能效更高、磨損更小，并且可以實(shí)現(xiàn)精確控制和定位。特別是，這種電機(jī)支持線性轉(zhuǎn)矩控制，為將其用于混合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖2顯示了MC-ISAR eMotor驅(qū)動(dòng)程序的電流控制環(huán)路，右側(cè)為復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動(dòng)(CDD)。這個(gè)時(shí)間關(guān)鍵型電流控制環(huán)路在中斷上下文中進(jìn)行處理，處理時(shí)間不超過(guò)50微秒。左側(cè)是附加的用于位置和轉(zhuǎn)速控制的軟件成分(SWC)，由應(yīng)用程序提供。

圖2：電機(jī)控制中的電流控制環(huán)。

位置檢測(cè)和電流檢測(cè)模式

為符合精確定位的要求，MC-ISAR eMotor通過(guò)采用霍爾傳感器外加增量編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，實(shí)現(xiàn)了典型高分辨率檢測(cè)模式。此外，還可將無(wú)傳感器FOC用于故障安全模式。對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，AUDO MAX系列支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式，該模式通過(guò)軟件和分立元器件實(shí)現(xiàn)，避免了配備外置旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要，這能使每個(gè)控制單元在成本上降低2美元左右。與此同時(shí)，MC-ISAR eMotor可以支持兩相或直流母線電流測(cè)量模式(圖3)。

圖3：MC-ISAR eMotor操作模式。

MC-ISAR eMotor軟件劃分

此軟件可劃分為兩個(gè)組成部分：不依賴(lài)于硬件和依賴(lài)于硬件的成分。不依賴(lài)于硬件的模塊用于EmoControl、位置信息采集PA和FOC(圖4)。因此，EmoControl是通過(guò)FOC控制方向和電流的主要模塊。送入電機(jī)的電流決定了轉(zhuǎn)矩。MC-ISAR eMotor驅(qū)動(dòng)向應(yīng)用程序反饋電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速信息。位置信息采集PA模塊負(fù)責(zé)從旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器信號(hào)中提取角度信息。具備Park-Clarke變換和空間矢量調(diào)制(SVM)的FOC，是通過(guò)檢測(cè)給定電流和位置來(lái)設(shè)置新電流的主要部分。

圖4：磁場(chǎng)定向控制(FOC)模塊框圖。

硬件相關(guān)的模塊，包括重復(fù)使用的AUTOSAR MCAL驅(qū)動(dòng)(ADC、SPI、DIO)，或PWM信號(hào)生成(EmoPwm驅(qū)動(dòng)CCU6)和編碼器接口EmoIcu(通過(guò)GPT12讀取編碼信號(hào))的專(zhuān)用模塊?？蛻?hù)編寫(xiě)的位置和轉(zhuǎn)速控制代碼，可以按標(biāo)準(zhǔn)軟件成分(SW-C)添加，就像AUTOSAR所提供的一樣。

MC-ISAR eMotor安全考慮

為支持符合安全要求的應(yīng)用，從一開(kāi)始設(shè)計(jì)軟件成分時(shí)就考慮安全要求非常重要。在ECU的開(kāi)發(fā)階段應(yīng)明確應(yīng)用的特定需求，并且，這些需求將隨應(yīng)用的不同而不同。此外，為支持安全應(yīng)用，還應(yīng)考慮現(xiàn)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)的某些安全因素。MC-ISAR eMotor采用符合ISO26262的軟件開(kāi)發(fā)流程開(kāi)發(fā)而成，并可支持安全相關(guān)系統(tǒng)中的三相電流測(cè)量。

英飛凌eMotor主要優(yōu)勢(shì)概述

英飛凌AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動(dòng)，可并行控制多達(dá)4臺(tái)PMSM或BLDC電機(jī)，同時(shí)還能滿(mǎn)足應(yīng)用任務(wù)控制所需的性能。MC-ISAR eMotor和標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR MCAL驅(qū)動(dòng)由同一配置工具整合，因此，用戶(hù)可在同一界面中為AUTOSAR MCAL和MC-ISAR eMotor驅(qū)動(dòng)配置微控制器資源，為無(wú)縫配置不同軟件模塊創(chuàng)造了條件。汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)人員可專(zhuān)注于電機(jī)的應(yīng)用相關(guān)控制，而無(wú)需改編電機(jī)的控制算法。為降低系統(tǒng)成本，AUDO MAX系列還支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式，免除了加裝旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要。AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動(dòng)被設(shè)計(jì)用于支持安全應(yīng)用。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#