Echtzeit-MCUs von Texas Instruments
Kosten- und energieeffizient
Die Echtzeit-MCUs der Serie C2000 von Texas Instruments eignen sich hervorragend für Steuerungsaufgaben in der KFZ-Leistungselektronik. Dazu kommt ein umfassendes Ökosystem, das Zeit und Kosten spart, und SiC/GaN sowie aufwendige Regelungsalgorithmen sind auch kein Problem.
Die steigenden Anforderungen an die Leistungselektronik moderner Elektro- (EVs) und Hybridfahrzeuge (HEVs) stellen Entwickler zunehmend vor eine fast unüberwindbare Aufgabe. Die höhere Energieeffizienz und Leistungsdichte von Antriebs- und Energieumwandlungssystemen erfordern eine komplexere Steuerelektronik mit effizienter GaN- und SiC-Technologie, die mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten. Dazu kommt noch die funktionale Sicherheit und die Tatsache, dass vernetzte Fahrzeuge auch Sicherheitsanforderungen im Sinne der Security auf IT-Ebene unterliegen und Systemeingriffe wie die Aktualisierung der Firmware per Funk (FOTA: Firmware Over The Air) nutzen.
Angesichts knapper Entwicklungsbudgets und wettbewerbsfähiger Endproduktpreise sind die Entwickler von Leistungselektronik letztlich gezwungen, Wege für einfachere Systemdesigns zu finden. Dazu gehört auch der Einsatz von höher integrierten Steuerung-ICs.
Eine Möglichkeit, um diese Herausforderungen zu meistern, bietet die C2000-Serie von Texas Instruments. In diesem Artikel werden einige Vorteile der automobilgerechten Echtzeit-Mikrocontroller erörtert und warum sie sich besonders gut für Antriebssteuerungen und Leistungswandler in EVs und HEVs eignen. Nach einem kurzen Funktions- und Schnittstellenüberblick über die Reglerfamilie F28003x gibt der Artikel einen Einblick in die Implementierung der feldorientierten Regelung (FOC) im Traktionswechselrichter und der hysteretischen Stromregelung im On-Board-Ladegerät.
Mehr Effizienz bei geregelten Antrieben und Stromrichtern
Die Leistung heutiger EVs und HEVs basiert zum großen Teil auf der elektronischen Steuerung in Antrieben und Stromrichtern. Die in diesen Subsystemen verwendeten Echtzeit-MCUs nutzen komplexe Steuerungsalgorithmen und genaue Motormodelle, um sehr schnell zu reagieren; die Steuerungsverzögerung beträgt nur wenige Mikrosekunden. Wenn die Echtzeit-Regelung zu langsam ist und das festgelegte Zeitfenster nicht einhält, sinken Stabilität, Präzision und Effizienz des Regelkreises.
Um die Nutzung von PID-Reglern (Proportional-Integral-Differenzial-Reglern) aus Standardbibliotheken zu ermöglichen, transformieren Vektorregler das dreiphasige Statorstromsystem in einen zweidimensionalen Stromraumvektor, um die magnetische Flussdichte und das Rotordrehmoment zu steuern. Eine schnelle Stromschleife (blauer Pfeil in Bild 1) sollte eine Regelverzögerung von weniger als 1 µs erreichen.
Mithilfe der Kombination einer schnellen Vektorregelung wie FOC (feldorientierte Regelung) und einem hocheffizienten internen Permanentmagnet-Synchron-Reluktanzmotor (IPM-SynRM) erreichen Motorantriebe große Drehmomente und einen Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent im Vergleich zum klassischen Gleichstrommotor (Permanentmagnet-Synchronmotor oder PMSM). Entwickler können eine variable Drehmomentregelung zwischen der Lorentzkraft und der Reluktanzkraft des IPM-SynRM mit einer Echtzeit-MCU der Serie C2000 und der Software »C2000Ware-Motorcontrol-SDK« zeit- und kosteneffizient implementieren. FOC ermöglicht auch die hochpräzise Steuerung von SynRMs – auch ohne Magnete oder Positionssensoren – und spart so Systemkosten und Gewicht und macht den Motor widerstandsfähiger gegen Überlast.
Für A/D-Wandler, die als On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge oder umgekehrt als Photovoltaik-Wechselrichter eingesetzt werden, ist es wichtig, das Stromnetz frei von Oberschwingungsverzerrungen zu halten. Dieser unsauberen Nullspannungsschaltung (ZVS) kann mit einer hybriden hysteretischen Steuerung (HHC) des Stroms entgegengewirkt werden. Hier können sich Entwickler auch auf C2000-MCUs verlassen, um das Schaltungsdesign zu beschleunigen, indem sie leistungsstarke Regelalgorithmen aus dem Software-Repository »C2000Ware-DigitalPower-SDK« verwenden.
Vereinfachte Entwicklung von EV-Systemen
Um das Design von Stromversorgungssystemen zu vereinfachen, ermöglichen die Echtzeit-MCUs der Serie C2000 von Texas Instruments eine schnelle Implementierung komplexer Stromversorgungssteuerungen, die dank einer umfassenden Hardware- und Software-Entwicklungsumgebung das Design verschiedener flexibler Steuerungen erleichtern. Mit einer einzigen C2000-MCU können Fahrzeugentwickler kleinere, kostengünstigere EV-Antriebsstränge zur Hälfte der Kosten realisieren, da sie für die gleichzeitige Steuerung von On-Board-Ladegeräten, DC/DC-Wandlern und Traktionswechselrichtern ausgelegt sind. Auch Anwendungen wie HLK (Heizung, Lüftung, Klima), Fahrerassistenzsysteme und Brennstoffzellensteuerung sind denkbar.
Systementwickler können eine leistungsstarke MCU zur Steuerung mehrerer Leistungselektronik- und Systemkomponenten verwenden, die im gesamten Fahrzeug verteilt sind. Die TI-Website, insbesondere der Resource Explorer und die C2000 Academy, bietet Entwicklern eine Fülle an Unterstützung in Form von Datenblättern, Anwendungshinweisen, Evaluierungsboards, Referenzdesigns, Schulungsvideos und einem Entwicklerforum.
TI hat die F28003x-Familie von Echtzeit-Controllern speziell für den Einsatz in Elektrofahrzeugen in Bezug auf Leistung, Integration und Kosten optimiert. Mit einer Verarbeitungsleistung von 240 MIPS und integrierter Echtzeit-Steuerungsperipherie können Schaltungsentwickler die Präzision und Energieeffizienz ihrer Motorsteuerungs- und Leistungsumwandlungssysteme auf Basis der MCU »F280039CSPZ« verbessern – ohne dass ein FPGA erforderlich ist. Darüber hinaus reduziert die einfach zu implementierende GaN- und SiC-Technologie die Schaltverluste und erhöht die Leistungsdichte aufgrund höherer Schaltfrequenzen, kleinerer magnetischer Komponenten und eines geringeren Kühlflächenbedarfs.
- Kosten- und energieeffizient
- Für kundenspezifische Logik
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