原标题：使用C2000实时MCU开发成本和能源效率高的EV电机功率控制设计

　　对现代电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 的电力电子设备的快速增长的技术需求越来越多地向设计人员提出了一项几乎无法克服的任务。动力总成和能量转换系统的更高能效和功率密度需要更复杂的控制电子设备，这些电子设备结合了在高开关频率下运行的高效氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技术。除了功能安全之外，联网车辆还可以在 IT 级别的安全要求下运行，并应用系统干预，例如无线固件 (FOTA) 更新。

　　面对紧张的开发预算和具有竞争力的最终产品定价，电力电子设计人员最终不得不寻找简化系统设计的方法，包括部署更集成的控制解决方案。

　　为了帮助应对这些挑战，本文讨论了德州仪器 C2000 系列的汽车兼容实时微控制器 (MCU) 的一些优势，这些微控制器适用于 EV 和 HEV 中的驱动控制和电源转换器。在简要介绍 F28003x 控制器系列的功能和接口之后，本文将深入了解牵引逆变器中的磁场定向控制 (FOC) 和车载充电器中的磁滞电流控制的实施。

　　提高受控驱动器和功率转换器的效率

　　当今 EV 和 HEV 的卓越性能在很大程度上归功于驱动器和电源转换器中的电子控制。这些子系统中使用的实时 MCU 采用复杂的控制算法和精确的电机模型以极快地响应，控制延迟仅为几微秒 (µs)。如果实时闭环控制太慢并且错过了其定义的时间窗口，则控制环的稳定性、精度和效率都会降低。

　　为了能够使用标准库中的比例积分微分 (PID) 控制器，矢量控制器将三相定子电流系统转换为二维电流空间矢量，以控制磁通密度和转子转矩。快速电流环路(图 1 中的蓝色箭头)应实现小于 1 µs 的控制延迟。

　　图 1：为实现稳定控制，实时 MCU 必须在 1 µs 内完成每次循环(蓝色箭头)的所有算术运算。(图片来源：德州仪器)

　　将 FOC 等快速矢量控制与高效内部永磁同步磁阻电机 (IPM-SynRM) 相结合，电机驱动器可实现比传统直流电机(即永磁同步电机、或 PMSM)。设计人员可以使用 C2000 系列实时 MCU 和C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK软件以节省时间和成本的方式实现 IPM-SynRM 的洛伦兹力和磁阻力之间的可变扭矩控制。FOC 还可以以高精度控制 SynRM(即使没有磁铁或位置传感器)，从而节省系统成本和重量，并使电机更耐过载。

　　对于作为 EV 车载充电器 (OBC) 或相反作为光伏逆变器运行的 AC-DC 电源转换器，保持电网不受谐波失真影响非常重要。这种不干净的零电压开关 (ZVS) 可以通过电流的混合滞后控制 (HHC) 来抵消。在这里，开发人员还可以依靠 C2000 MCU 通过应用来自C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK软件存储库的高性能控制算法来加速电路设计。

　　使用 C2000 MCU 简化 EV 系统设计

　　为简化电源系统设计，德州仪器 (TI) 提供了 C2000 系列实时 MCU，用于快速实施复杂的电源控制，借助全面的硬件和软件开发环境，便于设计各种灵活的控制。单个 C2000 MCU 使车辆设计人员能够以一半的成本实现更小、更实惠的 EV 动力系统，因为它们旨在同时处理车载充电器、DC-DC 转换器和牵引逆变器。HVAC、驾驶员辅助系统和燃料电池控制等应用也是可以想象的。

　　系统设计人员可以使用单个强大的 MCU 来控制分布在整个车辆中的多个电力电子设备和系统组件。TI 网站，尤其是Resource Explorer和 C2000 Academy，以数据表、应用说明、评估板、参考设计、培训视频和开发人员论坛的形式为设计人员提供了丰富的支持。

　　TI 在性能、集成度和成本方面优化了 F28003x 系列实时控制器，专门用于 EV。提供 240 MIPS 的处理能力和集成的实时控制外设，电路设计人员可以提高基于F280039CSPZ MCU 的电机控制和电源转换系统的精度和能效，而无需 FPGA。此外，由于更高的开关频率、更小的磁性元件和更小的冷却面积要求，易于实施的 GaN 和 SiC 技术降低了开关损耗并提高了功率密度。

　　F28003x 系列支持控制器局域网全双工 (CAN FD) 通信以及多个快速串行接口。一个 384 千字节 (Kbytes) 的集成闪存为实现联网的物联网 (IoT) 功能提供了充足的储备。安全启动、AES 加密引擎、JTAG 锁定和硬件内置自检 (HWBIST) 等片上安全功能可确保实时固件和无线固件 (FOTA) 更新等网络系统干预防止篡改。MCU 符合 ASIL B 要求并内置功能安全性，从而加快应用开发时间和上市所需的认证。图 2 概述了基本功能和接口。

　　图 2：F280039C MCU 的功能框图，显示了快速处理、灵活的通信和传感选项以及安全启动等安全支持功能等亮点。(图片来源：德州仪器)

　　TMDSCNCD280039C 是测试和原型设计的理想选择，是适合 F280039C 的评估板。要操作配备 HSEC180 接头(180 针高速边缘连接器)的 controlCARD，需要一个TMDSHSECDOCK 180 针扩展坞。

　　用于自定义逻辑的可配置逻辑块 (CLB)

　　创新的可配置逻辑块 (CLB) 允许程序员将自定义逻辑集成到 C2000 实时控制系统中，同时消除外部逻辑、FPGA、CPLD 或 ASIC。通过添加 CLB，现有的 C2000 外围模块(例如增强型脉宽调制器 (ePWM)、增强型捕获 (eCAP) 或增强型正交编码器脉冲 (eQEP))可以通过客户特定的信号和功能进行扩展。

　　逻辑块通过 C2000 SysConfig 进行配置，该C2000Ware中提供。它需要 SysConfig 工具，该工具是 TI 的Code Composer Studio (CCS) 集成开发环境 (IDE) 的一部分，或者可作为独立工具与其他 IDE 一起使用(图 3)。

　　图 3：CLB 可以轻松地将自定义逻辑实施到 C2000 实时控制系统中，无需外部逻辑和 FPGA。(图片来源：德州仪器)

　　C2000Ware 软件和文档包通过提供大量特定于设备的驱动程序、库和应用示例，以及通过使用 CLB 扩展外围设备，最大限度地缩短了开发时间。

　　C2000 嵌入式应用程序的代码开发和调试的基础是 CCS IDE。该工具集包括优化的 C/C++ 编译器、源代码编辑器、项目构建环境、调试器、分析器和许多其他功能。直观的 IDE 提供了一个单一的用户界面，可指导用户完成应用程序开发的每一步。基于 Eclipse 软件框架的熟悉工具和界面有助于让用户快速入门。

　　时钟和测试

　　程序员可以在编程或验证期间使用嵌入式模式生成器 (EPG) 来处理简单的测试场景，而不是使用 CLB 干预复杂的时钟外围设备。独立的 EPG 模块有助于生成自定义脉冲模式 (SIGGEN) 和时钟信号 (CLOCKGEN)，但它还可以捕获和重塑传入的串行数据流或与生成的时钟信号同步。

　　为了在 C2000 实时系统中以非侵入方式对关键 CPU 总线和设备事件进行调试以及监控和分析，使用了嵌入式实时分析和诊断(ERAD)。硬件模块提供位于 MCU 总线架构内的扩展总线比较器和系统事件计数器(图 4)。

　　图 4：ERAD 为中断生成提供高级总线比较器和系统事件计数器，位于 MCU 总线架构中，并能够以非侵入方式调试实时系统。(图片来源：德州仪器)

　　ERAD 可以独立生成系统级中断和标志，并将它们馈送到其他外设，例如 CLB。

　　使用 C2000 MCU 更快地实施 FOC 引擎控制

　　使用矢量控制实现 IPM-SynRM 的可变转矩控制很复杂。根据速度和负载扭矩，算法必须控制两个旋转坐标系之间的偏移角。因此，通过相移控制，转子可以在电气上领先或滞后旋转定子磁场达 ±90°，从而允许在 RM 和 PMSM 之间进行可变操作。使用 TI 的电机控制软件开发套件可以快速实现对磁通密度和转子转矩的复杂控制。

　　该软件基于数十年的综合专业知识，包括在 C2000 电机控制评估模块 (EVM) 和 TI 设计 (TID) 上运行的固件。矢量控制的两个关键函数库是InstaSPIN-FOC(无编码器的 FOC 电机控制)和DesignDRIVE(需要编码器的 FOC 电机控制)。

　　InstaSPIN-FOC 的主要特点：

　　无传感器扭矩或速度 FOC

　　用于转子估计的通量、角度、速度和扭矩 (FAST) 软件观察器

　　电机参数辨识

　　观察器和转矩控制回路自动调谐

　　适用于低速和高动态应用的卓越性能

　　FOC 控制回路的一个特殊功能是自适应 FAST 算法。这会根据相电压和电流自动确定磁通密度、电流角、速度和转矩(图 5)。由于电机参数的自动识别，设计人员可以快速启动并运行新电机，并依靠自动系统对控制回路进行微调。

　　图 5：FOC 控制回路的一个特殊功能是自适应 FAST 算法，它可以自动检测磁通密度、电流角、速度和扭矩。(图片来源：德州仪器)

　　DesignDRIVE 的主要特点：

　　传感速度或位置 FOC

　　位置反馈：旋转变压器、增量和绝对编码器

　　电流检测技术：低侧分流、在线电流采样和 sigma-delta 滤波器解调

　　快速电流环 (FCL)：优化的软件库，充分利用硬件资源来加速系统的采样、处理和驱动，以在伺服控制应用中实现给定 PWM 频率的最高控制带宽

　　实时连接示例

　　应用实例一：单片机控制牵引逆变器和DC-DC转换器

　　汽车制造商倾向于将三个分布式系统组件合并到一个机箱中，并尽量减少 MCU 的数量，以降低系统成本和复杂性。然而，这需要一个具有高实时控制性能的 MCU 来管理所有这三个。为了解决这个问题，TI 的TIDM-02009参考设计展示了 EV/HEV 牵引逆变器和由单个F28388DPTPS实时 MCU 控制的双向 DC-DC 转换器的组合设计(图 6)。

　　图 6：控制板(左下)只有一个 C2000 MCU 卡控制牵引逆变器(左上)和 DC-DC 转换器(右)。(图片来源：德州仪器)

　　牵引逆变器使用基于软件的旋转变压器数字转换器 (RDC) 将电机驱动到高达每分钟 20,000 转 (rpm) 的高速。其功率级由Wolfspeed的基于 SiC FET的CCS050M12CM2六路功率模块组成，由 TI UCC5870QDWJRQ1智能栅极驱动器驱动。最先进的 PWM 模块在比较器子系统 (CMPSS) 中集成了斜率补偿，可生成 PCMC 波形。电压感应路径使用 TI 的具有 2 伏输入的 AMC1311QDWVRQ1 超高隔离度放大器，电流感应路径使用 TI 的具有±50 毫伏 (mV) 输入的AMC1302QDWVRQ1超高隔离度精密放大器。

　　DC-DC 转换器使用具有相移全桥拓扑 (PSFB) 和同步整流 (SR) 的峰值电流模式控制 (PCMC) 技术。其双向性的优点是转换器对直流母线电容器进行预充电，无需限流继电器和串联电阻。基于 CAN FD 的抗干扰通信由集成的TCAN4550RGYTQ1控制器收发器模块提供。

　　应用示例 2：高效双向 6.6 kW AC-DC 转换器

　　对于相对高功率的输出，PMP22650代表基于 GaN FET 的参考设计，用于处理 6.6 千瓦 (kW) 功率的双向单相 AC-DC 转换器。充电器 OBC 可以使用来自电网的电力为牵引电池充电，相反，对直流链路电容器进行预充电。该设备将初级侧 28 安培 (A) 的 240 伏交流电转换为次级侧 19 A 的 350 伏直流电。

　　单个 F28388DPTPS MCU 控制在 120 千赫兹 (kHz) 开关频率下运行的两相图腾柱功率因数校正 (PFC) 链路和全桥 CLLLC(C = 电容器，L = 电感器)拓扑，然后进行同步整流. CLLLC 转换器使用频率和相位调制来调节输出，并以 200 kHz 至 800 kHz 的可变频率工作。

　　在图 7 中，匹配的TMDSCNCD28388D控制器卡(中)控制初级侧 PFC 中间电路(左)和具有同步整流的次级侧全桥 CLLLC 转换器(右)。该设计的原理图如图 8 所示。

　　图 7：TMDSCNCD28388D 控制器卡(中)控制初级侧 PFC 链路(左)和具有同步整流的次级侧全桥 CLLLC 转换器(右)。(图片来源：德州仪器)

　　通过使用新开发的 LMG3522R030-Q1 高速 GaN FET，可实现高达 96% 的全功率效率和 3.8 kW/升的开放式功率密度。功率因数为 0.999，总谐波失真 (THD) 小于 2%。LMG3522 的替代产品是LMG3422R030RQZT GaN FET，同样符合汽车标准，具有 600 伏的开关电压和 30 毫欧 (mΩ) 的 R ds(ON )。它还集成了栅极驱动器、过载保护和温度监控。

　　图 8：由 PFC 中间电路(左)和具有同步整流的次级侧全桥 CLLLC 转换器(右)组成的 OBC 的电路拓扑。(图片来源：德州仪器)

　　该 AC-DC 转换器的一个特殊功能是 HHC，它通过模拟谐振电容器两端的电压来显着降低过零失真。测试结果也显示出更好的瞬态响应，而且这种控制回路的设计也比单回路电压控制更简单。

　　光伏逆变器的示例显示了 HHC 如何有效地减少桥式开关晶体管在过零处的失真(图 9，左)，从而消除了辐射以及电网上的失真。使用 HHC(图 9，右下)将正弦电网电压(图 9，右上)的 3 次谐波的高 7.8% THD 降低到 0.9%。

　　图 9：HHC 可以显着降低桥式开关晶体管在过零处的失真(左)，从而消除 THD。通过使用 HHC，正弦线电压(右上)的 3 次谐波的高 7.8% THD 降低到 0.9%(右下)。(图片来源：ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

　　顺便提一下，这款 6.6 kW DC-DC 转换器的电路设计基于 TI 的TIDA-010062参考设计，而前面提到的 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 有助于设计此类电源转换器。

　　结论

　　Texas Instruments 的 C2000 系列实时 MCU 可以处理汽车电力电子设备中的几乎所有控制任务。这些 MCU 生态系统的应用通过使用强大的实时 MCU 聚合和联合控制通常是分布式系统电子设备，从而能够以时间和成本高效的方式进行系统设计。

　　如图所示，智能 GaN 和 SiC 功率驱动器相对容易实现。广泛的库功能和完整记录、预先认证的参考设计有助于实现更高效的 FOC 电机控制和转换器的 HHC 控制。