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电动动力微控制器和变频器设计要点
缩短油电混合车与纯电动车上市时程

【作者: Robert Weiß,Carlos Castro】2011年01月27日 星期四

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油电混合车(HEV) 与纯电动车(EV) 是减低个人交通工具能源消耗与 CO2 排放的关键。为了减少对环境造成的冲击,降低碳排放量,采用电动动力方向系统(EPS)已经成为达成此目标的重要步骤之一,现今许多车款亦因此配备了机电动力方向系统。但电动动力辅助方向系统究竟牵涉了哪些功能呢?


EPS 是一套机电动力方向系统,它在传统的液压转向辅助上,使用了电子控制的电动马达。 EPS 系统除了占用较少的引擎室空间、容易组装,降低油耗等优点,方向系统亦不再需要使用含毒性的液压油。小型车的电动马达通常透过齿轮箱连接至方向机柱,而中型房车则是利用法兰,以交叉或纵长的方式固定在齿轮齿条上,透过齿轮箱操作。驾驶在转动方向盘时,电动马达即将动力辅助施加在转向上。


EPS 系统的动作原理

电动动力方向系统包括一组控制单元、若干感测器与一具无刷马达,控制单元负责控制系统,并供应电动马达所需的资讯,同时从感测器接受例如转向角度、驾驶速度极扭矩等量测资讯。侦测马达位置与马达电流的感测器,确保马达以最佳的操作点运转。控制器是主处理器,负责控制伺服马达及其他零组件,第二个较小型的微控制器、或是 ASIC 则充当监督单元。


EPS 系统主要零组件架构

致动器是一具三相同步或非同步的无刷马达,马达的旋转磁场系以电子式产生,讯号频率大约 20 KHz 的脉宽调制讯号会影响转速及扭矩。



《图一 电磁式动力方向系统及其主要零组件示意图》
《图一 电磁式动力方向系统及其主要零组件示意图》

磁传感器

旋转编码器或磁传感器 、亦即所谓的「巨磁电阻」(Giant Magnetic Resistor;GMR) ,提供辨识转子位置的资料。通常两个相位电流是以分流器或霍尔感测器量测,上述感测器的类比输出,必须放大以便处理。施力于转向机柱、以及马达所需的辅助量是以扭矩感测器量测,讯号处理则是在控制单元中执行。车轮感测器提供车速资讯,而转向角感测器则传送方向盘目前位置的资讯,其他控制单元处理这些讯号。资料系透过 CAN 传输,几种评估的逻辑,可以根据系统所选用的感测器类型,整合至感测器中;不仅可以增进精准度,还能降低故障的敏感性。


控制单元

控制单元包括几个稳压器、CAN 收发器、讯号处理电路、桥式驱动器、电源开关与微控制器。处理器架构要能详细针对系统监测的事项提供快速处理需求控制演算法的能力,并且广泛支援内建的硬体。


稳压器供应感测器、微控制器及 ASIC 所需的不同电压。 CAN 收发器充当 CAN 与微控制器之间的架桥。依据感测器的类型,资料的讯号处理可为类比式亦或数​​位式。由于微控制器并不能直接控制电源开关(B6 架桥),因此需要桥式驱动器,此桥式驱动器可产生快速切换电晶体所需的栅极电压及相关的电流。智慧型驱动器,还包括诊断界面,可以侦测各式各样的问题,包括半桥式短路、低相位电压、或零组件高温。微控制器控制监测马达及整个系统,同时还需要执行诊断与网路通讯。额外的控制器用来侦测故障以及启动紧急操作模式。


关键的演算法

由于在马达动力及固定扭矩方面的高度要求,EPS 系统需要复杂的演算法,例如「磁场定向控制」(Field Oriented Control,FOC)。此类型的控制直接作用在马达转子的磁场上,并且因为牵涉到多重座标转换(克拉克/派克转换)的计算,以及两个相位电流以 50μs 的间隔调节,故需要大量的处理能力。若要控制马达,则需使用空间向量法提供 PWM 讯号。凭借着 MAC 单元的高效能,所需的 CPU 负载低于 10 %。


微控制器与 EPS 系统搭配功能要点

安全与可靠度

敏感的资料经由确认循环冗余码检查(CRC)以增强可靠度,其中牵涉到写入两次并进行比对。整个记忆体系统系以硬体错误改正单元加以保护,如欲纳入不同的软体模组,就需要采用记忆体保护单元。


快闪记忆体以实体分割成多重区块,并且搭配较大型操作可靠度的错误改正及监测。每个快闪记忆体区都能个别读取,写入则以密码保护。另外还有内建 SRAM 可以用来管理资料。额外的保护机制,也可以阻挡未授权存取重要的 CPU 暂存器。在执行受限的指示或覆写 CPU 堆叠时,也会触发保护机制,提供更高的操作可靠度。


DSP功能

DSP 的执行指示可在单一时脉循环内完成,需仰赖高性能的传输途径,以提高处理能力。处理器的乘法累积单元,可以执行矩阵计算或有限脉冲回应 (FIR) 滤波器功能,亦即在单一时脉循环内可以执行 16x16位元的乘法及累计的 32位元加法或减法。处理迅速的矩阵运算(克拉克/派克转换),以及执行功能强大的 PI 控制器,同时扮演了 EPS 系统的重要部分。


周边功能

周边模组主要包括弹性的计时器单元、三个USIC 模组(支援不同的同步及非同步串列介面)、撷取/比对(CAPCOM)模组、即时时脉及看门狗功能、独立的高速10位元A/D 转换器、及三个CAN 模组。


变频器系统开发步骤

变流器零组件架构

另外,三相变频器系统也有助于提升设计开发油电混合车与纯电动车架构时的效益。建立油电混合车与纯电动车架构中的重要变频器部份,需要花费很大的工夫。


图二为型的三相变频器设计示意图。变频器系统使用一个直流电容器,分隔电池与模组。薄膜电容器是此应用最适当的选择,最重要的参数为工作电压、涟波电压与电流均方值。如要降低全系统的杂散电感,模组与电容器必须能够相匹配。


模组产生的功率损失必须加以散发,防止温度超过制造厂规格书允许的最高温度,因此冷却系统的设计对达成最佳效能与保证所需的寿命期来说非常重要。


驱动器与控制板上完整的控制、监视、评估、安全与保护功能,牵涉到元件选择、电路图设计,良好 EMC 效能,以及包含必要与漏电间距的布局。此外,也牵涉到软体的开发、测试并除错。


为了让变频器与完整的油电混合车与纯电动车架构设计变得更简易而快速,厂商除了提供参考设计外,也要提供有助于硬体回路(hardware in the loop;HiL) 系统或第一次车内构装研究的早期系统测试服务。



《图二 典型的三相变频器设计示意图》
《图二 典型的三相变频器设计示意图》

变流器零组件特色

电源模组是变频器第一个重要区块,可满足车辆的特殊热循环稳定性要求。在模组系列的开发过程中,晶片表面连接焊线以及基板与基底层间的焊点都可以大幅改善,专为 150°C 的接面操作温度设计,借此满足多数液冷系统的要求。此外模组设计包含变频器所需的所有功率半导体以及3个NTC(负温度系数)电阻器以测量温度IGBT六联式配置以及匹配的射极控制二极体,可让传导与切换损失降到最低。


此外三相变频器的直流电容器 ,在电性与机械性上必须相匹配,容许精巧设计且减少杂散电感。若设计人员要求更高功率或更高操作温度的应用,可加入一个水冷式元件,利用整合的橡胶垫片直接锁入 IGBT 模组作适当的密封。


参考工具设计要点

参考工具可采用两片PCB,主要特色包含以一个DC/DC 电源供应器确保六个驱动板的适当绝缘、绝缘的直流连结电压量测器(保护/监控功能的输入)、NTC 元件温度量测、用于短路保护的主动钳制二极体,以及IGBT 驱动器各有增幅阶段,以增进电流驱动能力。


逻辑板包含所有控制驱动器的组件,并提供各式变流器系统元件介面:马达介面(编码器与分解器)、电流感测介面、通讯(CAN 与 RS232)以及其他的类比与数位输出入。主机板内建的微控制器可轻松搭配软体,实现保护与监控功能、驱动器控制与三相变频器的效能评估。


开发三相变频器系统的参考设计工具,不只可用来执行硬体测试与测量(如短路、温度等),也可用于开发软体。此外也包含建立完整系统的所有必要组件,并提供外部组件介面(马达介面、电流量测与通讯),可让设计人员快速启动油电混合车与纯电动车的开发工作。


(作者Robert Weiß为英飞凌汽车微控制器部门资深应用工程师、Carlos Castro为英飞凌科技复合系统工程师)


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