電動汽車動力總成控制系統(tǒng)方案詳解

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

　　圖1：運行于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（被稱為PCP，深綠色）。這種非對稱架構(gòu)能夠利用PCP高效處理外圍設(shè)備，而無需中斷在TriCore CPU上運行主算法的處理進程。PCP負責(zé)處理關(guān)鍵的實時中斷負荷，因此可減輕CPU的負擔。

　　有兩種方案可以生成驅(qū)動逆變器的PWM.GPTA可生成非常復(fù)雜的PWM模式，例如非對稱死區(qū)時間生成或定制模式。外設(shè)模塊 CCU6是一個低端方案，可用于生成中心對齊和邊緣對齊的PWM模式。相比GPTA而言，CCU6可以以較低的軟件開銷直接支持PWM信號生成，同時，無需配置多個定時器單元。

　　CCU6和GPTA這兩個模塊都具備觸發(fā)功能，能夠讓PWM信號和A/D電流測量實現(xiàn)無延遲的等時同步（參見箭頭“觸發(fā)事件”）。作為一個附加的安全特性，每個GPTA模塊都配有“緊急模式停止信號”，可用于設(shè)置安全開關(guān)。針對TriCore AUDO MAX微控制器系列的所有成員，提供了一個基于PRO-SIL的安全平臺，它包含硬件（安全看門狗CIC61508）和軟件（SafeTcore驅(qū)動程序），可滿足ASIL認證的B級至D級要求。

　　通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量電流

　　圖1所給示例對電機的兩個相電流進行了測量，并采用了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進行轉(zhuǎn)換?；谥鸫伪平拇嫫鳎⊿AR），該模數(shù)轉(zhuǎn)換器具備很高的精度（12位分辨率），并且轉(zhuǎn)換時間小于1微秒。由兩個已知的相電流可以計算出第三個相電流。針對更高的安全要求，建議對電機的第三個相電流進行額外的測量。針對這一應(yīng)用，帶有第三個模數(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)換為一個電氣值。一般情況下，可利用一個附加的正切函數(shù)電路從兩個信號（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。還有一種可選的方式是讀取編碼器信號，在運行于微控制器GPT12的編碼器接口中對其進行調(diào)理，再反饋到控制算法。

　　AUTOSAR之外重復(fù)利用汽車電子軟件

　　近年來，汽車電子軟件和通信已通過OSEK、AUTOSAR、FlexRay等規(guī)范而標準化。除標準化軟件成分以外，汽車電子系統(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，電機控制由分布在汽車車身、底盤和動力總成系統(tǒng)各處的電子控制單元（ECU）來完成。MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序提取了三相電機應(yīng)用中電流控制的一般特性，設(shè)計用于支持多種位置信息采集模式和逆變器控制裝置。

　　三相電機控制

　　英飛凌AUDO MAX系列非常適用于電機的控制。TriCore架構(gòu)和MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序可采用高級控制策略控制多臺三相電機，包括無刷直流電機（BLDC）塊交換（block commutation，BC）及永磁同步電機（PMSM）磁場定向控制（FOC）。單一微控制器甚至還能同時支持BLDC和PMSM電機控制。相比于其他類型的電機而言，采用FOC控制的PMSM電機能效更高、磨損更小，并且可以實現(xiàn)精確控制和定位。特別是，這種電機支持線性轉(zhuǎn)矩控制，為將其用于混合電動汽車動力總成系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

　　圖2顯示了MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序的電流控制環(huán)路，右側(cè)為復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動（CDD）。這個時間關(guān)鍵型電流控制環(huán)路在中斷上下文中進行處理，處理時間不超過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：電機控制中的電流控制環(huán)。

　　位置檢測和電流檢測模式

　　為符合精確定位的要求，MC-ISAR eMotor通過采用霍爾傳感器外加增量編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，實現(xiàn)了典型高分辨率檢測模式。此外，還可將無傳感器FOC用于故障安全模式。對于成本敏感的應(yīng)用，AUDO MAX系列支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式，該模式通過軟件和分立元器件實現(xiàn)，避免了配備外置旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要，這能使每個控制單元在成本上降低2美元左右。與此同時，MC-ISAR eMotor可以支持兩相或直流母線電流測量模式（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組成部分：不依賴于硬件和依賴于硬件的成分。不依賴于硬件的模塊用于EmoControl、位置信息采集 PA和FOC（圖4）。因此，EmoControl是通過FOC控制方向和電流的主要模塊。送入電機的電流決定了轉(zhuǎn)矩。MC-ISAR eMotor驅(qū)動向應(yīng)用程序反饋電機位置和轉(zhuǎn)速信息。位置信息采集PA模塊負責(zé)從旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器信號中提取角度信息。具備Park-Clarke變換和空間矢量調(diào)制（SVM）的FOC，是通過檢測給定電流和位置來設(shè)置新電流的主要部分。

　　圖4：磁場定向控制（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（ADC、SPI、DIO），或PWM信號生成（EmoPwm驅(qū)動CCU6）和編碼器接口EmoIcu（通過GPT12讀取編碼信號）的專用模塊?？蛻艟帉懙奈恢煤娃D(zhuǎn)速控制代碼，可以按標準軟件成分（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，從一開始設(shè)計軟件成分時就考慮安全要求非常重要。在ECU的開發(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)成電機驅(qū)動的某些安全因素。MC-ISAR eMotor采用符合ISO26262的軟件開發(fā)流程開發(fā)而成，并可支持安全相關(guān)系統(tǒng)中的三相電流測量。

　　英飛凌eMotor主要優(yōu)勢概述

　　英飛凌AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動，可并行控制多達4臺PMSM或BLDC電機，同時還能滿足應(yīng)用任務(wù)控制所需的性能。MC-ISAR eMotor和標準AUTOSAR MCAL驅(qū)動由同一配置工具整合，因此，用戶可在同一界面中為AUTOSAR MCAL和MC-ISAR eMotor驅(qū)動配置微控制器資源，為無縫配置不同軟件模塊創(chuàng)造了條件。汽車ECU開發(fā)人員可專注于電機的應(yīng)用相關(guān)控制，而無需改編電機的控制算法。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)動被設(shè)計用于支持安全應(yīng)用。