Use MCUs C2000 de tempo real para desenvolver projetos de controle de potência de motores EV com eficiência em custo e energia

As exigências técnicas em rápido crescimento da eletrônica de potência dos veículos elétricos modernos (EVs) e híbridos (HEVs) estão apresentando, cada vez mais, aos projetistas uma tarefa quase intransponível. A maior eficiência energética e densidade de potência do trem de força e dos sistemas de conversão de energia estão exigindo uma eletrônica de controle mais complexa que incorpore tecnologia eficiente de nitreto de gálio (GaN) e carbeto de silício (SiC) operando em altas frequências de chaveamento. Além da segurança funcional, os veículos conectados também operam sob os requisitos de segurança em nível de IT e aplicam intervenções do sistema como atualizações de firmware por via aérea (FOTA).

Confrontados com orçamentos de desenvolvimento apertados e preços competitivos do produto final, os projetistas da eletrônica de potência acabam por encontrar maneiras de simplificar o projeto do sistema, incluindo a implantação de soluções de controle mais integradas.

Para ajudar a enfrentar estes desafios, este artigo discute algumas das vantagens dos microcontroladores (MCUs) de tempo real, com compatibilidade automotiva, da série C2000 da Texas Instruments que são adequados para controles de acionamento e conversores de potência em EVs e HEVs. Após uma breve visão geral funcional e de interface da família de controladores F28003x, o artigo fornece uma visão geral da implementação de controle orientado a campo (FOC) no inversor de tração, e controle de corrente de histerese no carregador da placa.

Mais eficiência para acionamentos controlados e conversores de potência

O desempenho notável dos EVs e HEVs de hoje resulta em grande parte do controle eletrônico em acionamentos e conversores de potência. Os MCUs de tempo real utilizados nestes subsistemas empregam algoritmos de controle complexos e modelos de motores precisos para responder com extrema rapidez, com um atraso de controle de apenas alguns microssegundos (µs). Se o controle em tempo real de malha fechada for muito lento e perder sua janela de tempo definida, a estabilidade, precisão e eficiência da malha de controle se degradam.

Para permitir o uso de controladores proporcionais-integrais-derivativos (PID) de bibliotecas padrões, os controladores vetoriais transformam o sistema de corrente trifásica do estator em um vetor espacial bidimensional de corrente para controlar a densidade do fluxo magnético e o torque do rotor. Uma malha rápida de corrente (seta azul na Figura 1) deve alcançar um atraso de controle inferior a 1 µs.

Figura 1: Para um controle estável, um MCU de tempo real deve completar todas as operações aritméticas por passagem de malha (seta azul) em menos de 1 µs. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Combinando o controle vetorial rápido como o FOC e um motor síncrono de relutância de ímã permanente interno altamente eficiente (IPM-SynRM), os acionamentos do motor atingem grandes torques e até 96% de eficiência em comparação com o motor clássico de corrente contínua (ou seja, o motor síncrono de ímã permanente ou PMSM). Os projetistas podem implementar o controle de torque variável entre a força de Lorentz e a força de relutância do IPM-SynRM usando um MCU de tempo real da série C2000 e um software C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK de forma eficiente em termos de tempo e custo. O FOC também torna possível controlar os SynRMs com alta precisão — mesmo sem ímãs ou sensores de posição — economizando custo e peso do sistema, e tornando o motor mais resistente à sobrecarga.

Para conversores de potência CA-CC operando como carregadores EV na placa (OBCs), ou como inversores fotovoltaicos, é importante manter a rede elétrica livre de distorções harmônicas. Este chaveamento de tensão zero (ZVS) indefinido pode ser contrabalanceado com o controle híbrido histerético (HHC) de corrente. Aqui, os desenvolvedores também podem contar com os MCUs C2000 para acelerar o projeto de circuitos, aplicando algoritmos de controle de alto desempenho do repositório de software C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK.

Simplifique o projeto do sistema EV usando MCUs C2000

Para simplificar o projeto do sistema de potência, a Texas Instruments oferece os MCUs de tempo real da série C2000 para uma rápida implementação de controles complexos de potência, facilitando o projeto de diversos controles flexíveis graças a um ambiente abrangente de desenvolvimento de hardware e software. Um único MCU C2000 permite que os projetistas de veículos implementem trens de força EV menores e mais acessíveis pela metade do custo, pois são projetados para lidar simultaneamente com carregadores na placa, conversores CC-CC e inversores de tração. Aplicações como HVAC, sistemas de assistência ao motorista e controle de célula de combustível também são concebíveis.

Os projetistas de sistemas podem usar um único MCU poderoso para controlar múltiplos componentes eletrônicos de potência e componentes de sistema distribuídos em todo o veículo. O site da TI, particularmente o Resource Explorer e a C2000 Academy, oferece aos projetistas uma riqueza de suporte na forma de fichas técnicas, notas de aplicação, placas de avaliação, projetos de referência, vídeos de treinamento e um fórum de desenvolvedores.

A TI otimizou a família F28003x de controladores de tempo real especificamente para uso em EVs em termos de desempenho, integração e custo. Oferecendo 240 MIPS de poder de processamento e periféricos integrados de controle em tempo real, os projetistas de circuitos podem melhorar a precisão e eficiência energética de seus sistemas de controle de motores e conversão de potência baseados em um MCU F280039CSPZ — sem a necessidade de uma FPGA. Além disso, a facilidade de implementação da tecnologia GaN e SiC reduz as perdas de chaveamento e aumenta a densidade de potência devido às frequências de chaveamento mais altas, componentes magnéticos menores e uma menor necessidade da área de resfriamento.

A série F28003x suporta comunicações Controller Area Network Full Duplex (CAN FD), bem como várias interfaces seriais rápidas. Uma memória flash integrada de 384 quilobytes (Kbytes) oferece amplas reservas para a realização de funções de Internet das Coisas (IoT) em rede. Recursos de segurança no chip, como a Inicialização Segura (Secure Boot), um motor de criptografia AES, bloqueio JTAG e autoteste de hardware embutido (HWBIST) garantem que as intervenções do sistema em rede, como atualização de firmware em tempo real e e por via aérea (FOTA), sejam seguras contra adulterações. Os MCUs atendem aos requisitos ASIL B e têm segurança funcional incorporada, acelerando tanto o tempo de desenvolvimento da aplicação quanto a certificação necessária para o lançamento no mercado. A Figura 2 fornece uma visão geral das funções e interfaces essenciais.

Figura 2: Diagrama de blocos funcionais do MCU F280039C mostrando destaques tais como processamento rápido, comunicações flexíveis e opções de sensoriamento, e recursos de suporte de segurança tais como a Inicialização Segura. (Fonte da imagem: Texas-instruments)

Ideal para testes e protótipos, o TMDSCNCD280039C é uma placa de avaliação adequada para o F280039C. Para operar esta placa de controle equipada com uma barra de pinos HSEC180 (conector de borda de alta velocidade de 180 pinos), é necessária uma estação de acoplamento TMDSHSECDOCK de 180 pinos.

Blocos lógicos configuráveis (CLBs) para lógica personalizada

Os blocos lógicos configuráveis (CLBs) inovadores permitem aos programadores integrar lógica personalizada no sistema de controle em tempo real C2000, eliminando lógica externa, FPGAs, CPLDs ou ASICs. Ao adicionar um CLB, os módulos periféricos C2000 existentes, tais como o modulador por largura de pulso aprimorado (ePWM), captura aprimorada (eCAP) ou pulso de codificador de quadratura aprimorado (eQEP), podem ser ampliados com sinais e funções específicas do cliente.

Os blocos lógicos são configurados através do C2000 SysConfig, que está disponível dentro do C2000Ware. Isto requer a ferramenta SysConfig que faz parte do ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) Code Composer Studio (CCS) da TI ou está disponível como ferramenta autônoma para uso com outras IDEs (Figura 3).

Figura 3: Os CLBs facilitam a implementação de lógica personalizada no sistema de controle em tempo real C2000, eliminando a necessidade de lógica externa e FPGAs. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O pacote de software e documentação C2000Ware minimiza o tempo de desenvolvimento, fornecendo extensos drivers específicos de dispositivos, bibliotecas e exemplos de aplicações, e também ampliando dispositivos periféricos usando CLBs.

A base para o desenvolvimento e depuração de código das aplicações embarcadas C2000 é o IDE CCS. A coleção de ferramentas inclui um compilador C/C++ otimizado, editor de código fonte, ambiente de criação do projeto, depurador, perfilador e muitos outros recursos. A IDE intuitiva fornece uma única interface de usuário que orienta os usuários em cada etapa do desenvolvimento das aplicações. Ferramentas e interfaces familiares baseadas na estrutura do software Eclipse contribuem para que os usuários possam começar rapidamente.

Clock e testes

Em vez de intervir na complexa periferia do clock usando CLBs, os programadores podem usar o Gerador de Padrões Embarcados (EPG) para cenários de teste simples durante a programação ou validação. O módulo EPG autônomo facilita a geração de padrões de pulso personalizados (SIGGEN) e sinais de clock (CLOCKGEN), mas também pode capturar e reformular um fluxo de dados seriais ou sincronizar com os sinais de clock gerados.

Para a depuração, monitoramento e perfil de barramentos críticos de CPU e eventos de dispositivos de forma não intrusiva em um sistema C2000 de tempo real, é usado o Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD). O módulo de hardware oferece comparadores de barramentos estendidos e contadores de eventos do sistema localizados dentro da arquitetura do barramento MCU (Figura 4).

Figura 4: O ERAD fornece comparadores avançados de barramentos e contadores de eventos do sistema para geração de interrupções, reside dentro da arquitetura de barramento MCU, e permite a depuração do sistema em tempo real de forma não intrusiva. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O ERAD pode gerar independentemente interrupções e "flags" em nível de sistema e alimentá-las em outros periféricos, como o CLB.

Implemente controles FOC de motor mais rápido usando MCUs C2000

A implementação do controle de torque variável de um IPM-SynRM usando um controle vetorial é complexa. Dependendo da velocidade e do torque de carga, o algoritmo deve controlar o ângulo de deslocamento entre dois sistemas de coordenadas rotativas. Assim, o rotor pode conduzir ou retardar eletricamente o campo magnético rotativo do estator em até ±90° através do controle com deslocamento de fase, permitindo uma operação variável entre RM e PMSM. O controle complexo da densidade do fluxo magnético e do torque do rotor pode ser implementado rapidamente usando o Kit de Desenvolvimento de Software de Controle de Motores da TI.

O software, baseado em décadas de experiência combinada, inclui firmware que roda em módulos de avaliação de controle de motores C2000 (EVMs) e projetos TI (TIDs). Duas bibliotecas de funções-chave para o controle vetorial são InstaSPIN-FOC (controles FOC de motor sem codificadores) e DesignDRIVE (controles FOC de motor que necessitam de codificadores).

Principais características do InstaSPIN-FOC:

• Torque ou velocidade FOC sem sensores
• Observador de software de fluxo, ângulo, velocidade e torque (FAST) para estimativas de rotor
• Identificação dos parâmetros do motor
• Ajuste automático do observador e da malha de controle do torque
• Desempenho superior para aplicações de baixa velocidade e altamente dinâmicas

Uma característica especial da malha de controle FOC é o algoritmo FAST adaptável. Isto determina automaticamente a densidade do fluxo, ângulo de corrente, velocidade e torque a partir das tensões e correntes de fase (Figura 5). Graças à identificação automática dos parâmetros do motor, os projetistas podem rapidamente colocar um novo motor em funcionamento e contar com o sistema automático para o ajuste fino da malha de controle.

Figura 5: Uma característica especial da malha de controle FOC é o algoritmo FAST adaptável, que detecta automaticamente a densidade do fluxo, o ângulo de corrente, a velocidade e o torque. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Principais características do DesignDRIVE:

• Velocidade ou posição FOC com sensores
• Realimentação de posição: Resolvedores, codificadores incrementais e absolutos
• Técnicas sensoriais de corrente: shunt no lado de baixa, amostragem de corrente em linha, e demodulação do filtro sigma-delta
• Malha de corrente rápida (FCL): Biblioteca de software otimizada que aproveita ao máximo os recursos de hardware para acelerar a amostragem, processamento e acionamento do sistema para alcançar a maior largura de banda de controle para uma determinada frequência PWM em aplicações de servo controle
• Exemplos de conectividade em tempo real

Exemplo de aplicação 1: Um MCU controla o inversor de tração e o conversor CC-CC

Os fabricantes automotivos tendem a fundir os três componentes distribuídos do sistema em um único chassi e minimizar o número de MCUs para reduzir o custo e a complexidade do sistema. Entretanto, isto requer um MCU com alto desempenho de controle em tempo real para gerenciar os três. Para resolver isto, o projeto de referência TIDM-02009 da TI demonstra o projeto combinado de um inversor de tração EV/HEV e um conversor bidirecional CC-CC controlado por um único MCU F28388DPTPS de tempo real (Figura 6).

Figura 6: Apenas uma placa MCU C2000 da placa de controle (canto inferior esquerdo) controla o inversor de tração (canto superior esquerdo) e o conversor CC-CC (canto direito). (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O inversor de tração usa um conversor de resolver-para-digital (RDC) baseado em software para acionar o motor a uma alta velocidade de até 20.000 rotações por minuto (rpm). Seu estágio de potência consiste no módulo de potência CCS050M12CM2 de seis vias da Wolfspeed baseado em FETs de SiC, controlador por um acionador de porta inteligente UCC5870QDWJRQ1 da TI. Um módulo PWM de última geração com compensação integrada de inclinação no subsistema do comparador (CMPSS) gera a forma de onda PCMC. O caminho de detecção de tensão utiliza os amplificadores extras de alta isolação AMC1311QDWVRQ1 da TI com entradas de 2 volts, e o caminho de detecção de corrente utiliza os amplificadores de precisão de alta isolação extra AMC1302QDWVRQ1 da TI com entradas de ±50 milivolts (mV).

O conversor CC-CC usa tecnologia de controle de modo de corrente de pico (PCMC) com topologia de ponte completa com deslocamento de fase (PSFB) e retificação síncrona (SR). Sua bidirecionalidade tem a vantagem de que o conversor pré-carrega o capacitor do barramento CC, eliminando a necessidade de relés limitadores de corrente e resistores em série. A comunicação baseada em CAN FD resistente a interferência é fornecida pelo módulo integrado TCAN4550RGYTQ1 transceptor do controlador.

Exemplo de aplicação 2: Conversor CA-CC bidirecional eficiente de 6,6 kW

Para potências relativamente altas, o PMP22650 representa um projeto de referência baseado em FET de GaN para um conversor CA-CC monofásico bidirecional que lida com 6,6 quilowatts (kW) de potência. O carregador OBC pode carregar a bateria de tração com energia da rede e, inversamente, pré-carregar os capacitores de filtro CC. O dispositivo converte 240 volts CA a 28 amperes (A) no lado primário para 350 volts CC a 19 A no lado secundário.

Um único MCU F28388DPTPS controla a ligação bifásica totem-pole com correção do fator de potência (PFC) operando a uma frequência de chaveamento de 120 quilohertz (kHz), e uma topologia CLLLC (C = capacitor, L = indutor) de ponte completa, seguida de retificação síncrona. O conversor CLLLC utiliza tanto a modulação de frequência quanto a modulação de fase para a regulação de saída, e opera com uma frequência variável de 200 kHz a 800 kHz.

Na Figura 7, a placa controladora de acoplamento TMDSCNCD28388D (centro) controla o circuito intermediário PFC do lado primário (lado esquerdo) e o conversor CLLLC de ponte completa do lado secundário com retificação síncrona (lado direito). O esquema deste projeto é mostrado na Figura 8.

Figura 7: A placa controladora TMDSCNCD28388D (centro) controla a ligação PFC do lado primário (lado esquerdo) e o conversor CLLLC de ponte completa do lado secundário com retificação síncrona (lado direito). (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Eficiência de até 96% na potência total e uma densidade de potência de 3,8 kW/litro em estrutura aberta são possíveis graças ao uso dos novos FETs de GaN LMG3522R030-Q1 de alta velocidade desenvolvidos recentemente. O fator de potência é de 0,999 com menos de 2% de distorção harmônica total (THD). Uma alternativa ao LMG3522 é o FET de GaN LMG3422R030RQZT, também qualificado para o setor automotivo, com uma tensão de chaveamento de 600 volts e um R_ds(ON) de 30 miliohms (mΩ). Também integra o acionador de porta, a proteção contra sobrecarga e o monitoramento da temperatura.

Figura 8: Topologia do circuito do OBC composto pelo circuito intermediário PFC (lado esquerdo) e os conversores CLLLC secundários de ponte completa com retificação síncrona (lado direito). (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Uma característica especial deste conversor CA-CC é o HHC, que reduz significativamente a distorção na passagem por zero ao emular a tensão através do capacitor ressonante. Os resultados dos testes também mostram uma melhor resposta transitória, e o projeto desta malha de controle também é mais simples do que o controle de tensão de malha única.

O exemplo de um inversor fotovoltaico mostra quão efetivamente o HHC reduz a distorção dos transistores de chaveamento da ponte na passagem por zero (Figura 9, à esquerda), eliminando assim as emissões, bem como as distorções na rede elétrica. A elevada THD de 7,8% da 3ª harmônica na tensão de rede senoidal (Figura 9, canto superior direito) é reduzida para 0,9% usando HHC (Figura 9, canto inferior direito).

Figura 9: HHC pode reduzir significativamente a distorção dos transistores de chaveamento da ponte na passagem por zero (canto esquerdo) e assim eliminar a THD. A elevada THD de 7,8% da 3ª harmônica na tensão da linha senoidal (canto superior direito) é reduzida para 0,9% (canto inferior direito) usando HHC. (Fonte da imagem: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

A propósito, o projeto do circuito deste conversor CC-CC de 6,6 kW é baseado no projeto de referência TIDA-010062 da TI, enquanto o C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, mencionado anteriormente, facilita o projeto de tais conversores de potência.

Conclusão

Os MCUs de tempo real da série C2000 da Texas Instruments podem realizar praticamente qualquer tarefa de controle em eletrônica de potência automotiva. A aplicação destes ecossistemas de MCUs permite o projeto do sistema de forma eficiente em termos de tempo e custo, agregando e controlando em conjunto o que normalmente seria a eletrônica de sistema distribuída usando poderosos MCUs de tempo real.

Como mostrado, os acionadores inteligentes de potência de GaN e SiC são relativamente fáceis de implementar. Ampla funcionalidade de biblioteca e projetos de referência totalmente documentados e pré-certificados facilitam a implementação de um controle FOC mais eficiente do motor e controle HHC dos conversores.