Utiliser des microcontrôleurs en temps réel C2000 pour développer des conceptions de contrôle de puissance de moteurs de véhicules électriques rentables et écoénergétiques

Les exigences techniques croissantes en matière d'électronique de puissance des véhicules électriques (VE) et des véhicules électriques hybrides (VEH) modernes placent de plus en plus les concepteurs devant une tâche presque insurmontable. Le rendement énergétique et la densité de puissance accrus des systèmes de groupe motopropulseur et de conversion d'énergie exigent une électronique de commande plus complexe qui intègre les technologies GaN (nitrure de gallium) et SiC (carbure de silicium) efficaces fonctionnant à des fréquences de commutation élevées. Outre la sécurité fonctionnelle, les véhicules connectés sont également soumis à des exigences de sécurité au niveau informatique et appliquent des interventions système, telles que des mises à jour micrologicielles sans fil (firmware-over-the-air, FOTA).

Confrontés à des budgets de développement serrés et à des prix de produits finis compétitifs, les concepteurs d'électronique de puissance sont contraints de trouver des moyens de simplifier la conception système, y compris le déploiement de solutions de contrôle plus intégrées.

Pour aider à relever ces défis, cet article présente certains des avantages des microcontrôleurs (MCU) en temps réel conformes automobiles série C2000 de Texas Instruments, qui conviennent aux commandes d'entraînement et aux convertisseurs de puissance dans les véhicules électriques et électriques hybrides. Après une brève vue d'ensemble des fonctions et des interfaces de la gamme de contrôleurs F28003x, l'article donne un aperçu de la mise en œuvre du contrôle à champ orienté (FOC) dans l'onduleur de traction et de la commande de courant hystérétique dans le chargeur embarqué.

Meilleur rendement pour les entraînements contrôlés et les convertisseurs de puissance

Les performances remarquables des VE et VEH actuels résultent en grande partie de la commande électronique dans les entraînements et les convertisseurs de puissance. Les microcontrôleurs en temps réel utilisés dans ces sous-systèmes font appel à des algorithmes de commande complexes et à des modèles de moteur précis pour réagir extrêmement rapidement, avec un délai de commande de quelques microsecondes (µs) seulement. Si la commande en boucle fermée en temps réel est trop lente et manque sa fenêtre de temps définie, le rendement, la stabilité et la précision de la boucle de commande se dégradent.

Pour permettre l'utilisation de contrôleurs PID (commande proportionnelle, intégrale et dérivée) à partir de bibliothèques standard, les contrôleurs vectoriels transforment le système de courant de stator triphasé en un vecteur d'espace de courant bidimensionnel pour contrôler la densité du flux magnétique et le couple du rotor. Une boucle de courant rapide (flèche bleue dans la Figure 1) doit atteindre un délai de commande inférieur à 1 µs.

Figure 1 : Pour une commande stable, un microcontrôleur en temps réel doit effectuer toutes les opérations arithmétiques par passage de boucle (flèche bleue) en moins de 1 µs. (Source de l'image : Texas Instruments)

En combinant une commande vectorielle rapide telle que FOC et un moteur à réluctance synchrone à aimants permanents internes (IPM-SynRM) hautement efficace, les entraînements de moteurs atteignent des couples importants et un rendement jusqu'à 96 % par rapport à un moteur à courant continu classique (c'est-à-dire un moteur synchrone à aimants permanents, ou PMSM). Les concepteurs peuvent mettre en œuvre un contrôle de couple variable entre la force de Lorentz et la force de réluctance de l'IPM-SynRM à l'aide d'un microcontrôleur en temps réel série C2000 et du logiciel C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK de manière rapide et économique. Le contrôle à champ orienté permet également de commander les SynRM avec une grande précision, même sans aimants ni capteurs de position, ce qui permet de réduire le coût et le poids du système et de rendre le moteur plus résistant aux surcharges.

Pour les convertisseurs de puissance CA/CC fonctionnant comme chargeurs embarqués (OBC) de véhicules électriques, ou inversement comme onduleurs photovoltaïques, il est important de maintenir le réseau électrique exempt de distorsion harmonique. Cette commutation au zéro de la tension (ZVS) peu propre peut être contrecarrée par une commande hybride hystérétique (HHC) du courant. Ici, les développeurs peuvent également s'appuyer sur les microcontrôleurs C2000 pour accélérer la conception des circuits en appliquant des algorithmes de commande hautes performances issus du référentiel logiciel C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK.

Simplifier la conception de systèmes VE avec les microcontrôleurs C2000

Pour simplifier la conception des systèmes d'alimentation, Texas Instruments propose les microcontrôleurs en temps réel série C2000 pour l'implémentation rapide de commandes d'alimentation complexes, facilitant la conception de diverses commandes flexibles grâce à un environnement de développement matériel et logiciel complet. Un seul microcontrôleur C2000 permet aux concepteurs de véhicules d'implémenter des groupes motopropulseurs de VE plus petits et plus abordables à la moitié du coût, car ils sont conçus pour gérer simultanément les chargeurs embarqués, les convertisseurs CC/CC et les onduleurs de traction. Des applications telles que le CVC, les systèmes d'aide à la conduite et le contrôle des piles à combustible sont également envisageables.

Les concepteurs de systèmes peuvent utiliser un seul microcontrôleur puissant pour contrôler plusieurs composants de systèmes et d'électronique de puissance répartis dans le véhicule. Le site Web de TI, en particulier le Resource Explorer et la C2000 Academy, offre aux concepteurs une multitude de supports sous la forme de fiches techniques, de notes d'application, de cartes d'évaluation, de conceptions de référence, de vidéos de formation et d'un forum de développeurs.

TI a optimisé la gamme de contrôleurs en temps réel F28003x en termes de performances, d'intégration et de coût spécifiquement pour une utilisation dans les VE. Avec une puissance de traitement de 240 MIPS et des périphériques de commande en temps réel intégrés, les concepteurs de circuits peuvent améliorer la précision et le rendement énergétique de leurs systèmes de commande moteur et de conversion de puissance basés sur un microcontrôleur F280039CSPZ, sans recourir à un FPGA. En outre, les technologies GaN et SiC, faciles à mettre en œuvre, réduisent les pertes de commutation et augmentent la densité de puissance grâce à des fréquences de commutation plus élevées, des composants magnétiques plus petits et une zone de refroidissement moins importante.

La série F28003x prend en charge les communications CAN FD (Controller Area Network Full Duplex) ainsi que plusieurs interfaces série rapides. Une mémoire Flash intégrée de 384 kilo-octets (Ko) offre de vastes réserves pour la réalisation de fonctions Internet des objets (IoT) en réseau. Les fonctions de sécurité intégrées, telles que Secure Boot, un moteur de cryptage AES, le verrouillage JTAG et l'autotest intégré matériel (HWBIST), garantissent que les interventions système en réseau, telles que les mises à jour micrologicielles en direct et FOTA, sont protégées contre toute altération. Les microcontrôleurs répondent aux exigences ASIL B et intègrent la sécurité fonctionnelle, accélérant à la fois le développement d'applications et la certification nécessaire au lancement sur le marché. La Figure 2 donne un aperçu des fonctions et interfaces essentielles.

Figure 2 : Schéma fonctionnel du microcontrôleur F280039C montrant les points forts tels que la rapidité de traitement, la flexibilité des communications et des options de détection, et les fonctions de prise en charge de sécurité telles que Secure Boot. (Source de l'image : Texas Instruments)

Idéal pour les tests et le prototypage, le TMDSCNCD280039C est une carte d'évaluation adaptée au F280039C. Pour faire fonctionner cette controlCARD équipée d'une embase HSEC180 (connecteur de carte enfichable haute vitesse à 180 broches), une station d'accueil TMDSHSECDOCK à 180 broches est nécessaire.

Blocs logiques configurables (CLB) pour une logique personnalisée

Les blocs logiques configurables (CLB) innovants permettent aux programmeurs d'intégrer une logique personnalisée dans le système de commande en temps réel C2000 tout en éliminant la logique externe, les FPGA, les CPLD ou les ASIC. En ajoutant un CLB, les modules périphériques C2000 existants tels que la modulation de largeur d'impulsion améliorée (ePWM), la capture améliorée (eCAP) ou l'impulsion de codeur en quadrature améliorée (eQEP) peuvent être étendus avec des signaux et des fonctions spécifiques au client.

Les blocs logiques sont configurés via C2000 SysConfig, qui est disponible dans C2000Ware. Cela requiert l'outil SysConfig qui fait partie de l'environnement de développement intégré (IDE) Code Composer Studio (CCS) de TI ou est disponible en tant qu'outil autonome à utiliser avec d'autres IDE (Figure 3).

Figure 3 : Les CLB facilitent l'implémentation d'une logique personnalisée dans le système de commande en temps réel C2000, éliminant le besoin de logique externe et de FPGA. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le logiciel C2000Ware et la documentation associée permettent de réduire le temps de développement en fournissant de nombreux pilotes, bibliothèques et exemples d'application spécifiques à chaque dispositif, ainsi qu'en étendant les périphériques à l'aide des CLB.

La base du développement du code et du débogage des applications embarquées C2000 est l'IDE CCS. La collection d'outils comprend un compilateur C/C++ optimiseur, un éditeur de code source, un environnement de création de projet, un débogueur, un profileur et de nombreuses autres fonctionnalités. L'IDE intuitif fournit une interface utilisateur unique qui guide les utilisateurs à chaque étape du développement d'une application. Des interfaces et des outils familiers basés sur la structure logicielle Eclipse contribuent à une prise en main rapide par les utilisateurs.

Cadencement et test

Au lieu d'utiliser des CLB pour intervenir dans la périphérie d'horloge complexe, les programmeurs peuvent utiliser le générateur de modèles embarqués (Embedded Pattern Generator, EPG) pour des scénarios de test simples pendant la programmation ou la validation. Le module EPG autonome facilite la génération de modèles d'impulsions (SIGGEN) et de signaux d'horloge (CLOCKGEN) personnalisés, mais il peut également capturer et remodeler un flux de données série entrant ou se synchroniser avec les signaux d'horloge générés.

Le logiciel Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics (ERAD) est utilisé pour le débogage, la surveillance et le profilage des bus CPU critiques et des événements de périphériques de manière non intrusive dans un système en temps réel C2000. Le module matériel offre des comparateurs de bus étendus et des compteurs d'événements système situés dans l'architecture de bus du microcontrôleur (Figure 4).

Figure 4 : ERAD fournit des comparateurs de bus avancés et des compteurs d'événements système pour la génération d'interruptions, réside dans l'architecture de bus du microcontrôleur et permet le débogage du système en temps réel de manière non intrusive. (Source de l'image : Texas Instruments)

ERAD peut indépendamment générer des avertissements et des interruptions au niveau du système et les transmettre à d'autres périphériques tels que le CLB.

Implémentation plus rapide de contrôles de moteur FOC avec des microcontrôleurs C2000

L'implémentation du contrôle de couple variable d'un IPM-SynRM avec un contrôle vectoriel est complexe. En fonction de la vitesse et du couple de charge, l'algorithme doit contrôler l'angle de décalage entre deux systèmes de coordonnées en rotation. Ainsi, le rotor peut électriquement devancer ou retarder le champ magnétique rotatif du stator jusqu'à ±90° par le biais d'une commande déphasée, permettant un fonctionnement variable entre RM et PMSM. Le contrôle complexe de la densité du flux magnétique et du couple du rotor peut être mis en œuvre rapidement à l'aide du kit de développement logiciel de commande moteur de TI.

Le logiciel, qui repose sur des décennies d'expertise combinée, inclut un micrologiciel qui fonctionne sur les modules d'évaluation (EVM) de commande moteur C2000 et les conceptions TI (TID). InstaSPIN-FOC (commandes de moteurs FOC sans codeurs) et DesignDRIVE (commandes de moteurs FOC nécessitant des codeurs) sont deux bibliothèques de fonctions clés pour le contrôle vectoriel.

Caractéristiques clés d'InstaSPIN-FOC :

• Contrôle FOC de la vitesse ou du couple sans capteur
• Observateur logiciel de flux, d'angle, de vitesse et de couple (FAST) pour les estimations de rotor
• Identification des paramètres de moteur
• Réglage automatique de la boucle de contrôle du couple et de l'observateur
• Performances supérieures pour les applications basse vitesse et hautement dynamiques

Une caractéristique particulière de la boucle de contrôle FOC est l'algorithme adaptatif FAST. Il détermine automatiquement la densité de flux, l'angle de courant, la vitesse et le couple à partir des courants et des tensions de phase (Figure 5). Grâce à l'identification automatique des paramètres du moteur, les concepteurs peuvent rapidement mettre un nouveau moteur en service et se fier au système automatique pour le réglage fin de la boucle de contrôle.

Figure 5 : Une fonction particulière de la boucle de contrôle FOC est l'algorithme adaptatif FAST, qui détecte automatiquement la densité de flux, l'angle de courant, la vitesse et le couple. (Source de l'image : Texas Instruments)

Caractéristiques clés de DesignDRIVE :

• Contrôle FOC de la position ou de la vitesse avec capteur
• Retour de position : résolveur, codeurs incrémentaux et absolus
• Techniques de détection du courant : shunt bas potentiel, échantillonnage du courant en ligne et démodulation de filtre sigma-delta
• Boucle de courant rapide (FCL) : bibliothèque logicielle optimisée qui tire pleinement parti des ressources matérielles pour accélérer l'échantillonnage, le traitement et l'actionnement du système afin d'obtenir la bande passante de contrôle la plus élevée pour une fréquence PWM donnée dans les applications de servocommande
• Exemples de connectivité en temps réel

Exemple d'application 1 : un microcontrôleur contrôle l'onduleur de traction et le convertisseur CC/CC

Les constructeurs automobiles ont tendance à fusionner les trois composants système distribués en un seul châssis et à minimiser le nombre de microcontrôleurs pour réduire le coût et la complexité du système. Cependant, cela exige un microcontrôleur avec des performances de contrôle en temps réel élevées pour gérer les trois composants. La conception de référence TIDM-02009 de TI démontre la conception combinée d'un onduleur de traction VE/VEH et d'un convertisseur CC/CC bidirectionnel contrôlé par un seul microcontrôleur en temps réel F28388DPTPS (Figure 6).

Figure 6 : Une seule carte de microcontrôleur C2000 de la carte de commande (en bas à gauche) contrôle l'onduleur de traction (en haut à gauche) et le convertisseur CC/CC (à droite). (Source de l'image : Texas Instruments)

L'onduleur de traction utilise un convertisseur résolveur-numérique (RDC) basé sur un logiciel pour entraîner le moteur à une vitesse élevée pouvant atteindre 20 000 tours par minute (tr/min). Son étage de puissance est constitué du module de puissance à six voies basé sur des FET SiC CCS050M12CM2 de Wolfspeed, commandé par un circuit d'attaque de grille intelligent UCC5870QDWJRQ1 de TI. Un module PWM de pointe avec compensation de pente intégrée dans le sous-système de comparateur (CMPSS) génère la forme d'onde PCMC. La voie de détection de tension utilise les amplificateurs à isolement extra-élevé AMC1311QDWVRQ1 de TI avec des entrées de 2 volts (V), et la voie de détection du courant utilise les amplificateurs de précision à isolement extra-élevé AMC1302QDWVRQ1 de TI avec des entrées de ±50 millivolts (mV).

Le convertisseur CC/CC utilise la technologie de contrôle en mode courant de crête (PCMC) avec une topologie en pont complet déphasé (PSFB) et un redressement synchrone (SR). Sa bidirectionnalité présente l'avantage que le convertisseur pré-charge le condensateur de bus CC, éliminant ainsi le besoin de relais de limitation de courant et de résistances série. La communication résistante aux interférences basée sur CAN FD est fournie par le module émetteur-récepteur contrôleur TCAN4550RGYTQ1 intégré.

Exemple d'application 2 : convertisseur CA/CC 6,6 kW bidirectionnel efficace

Pour les sorties de puissance relativement élevée, le PMP22650 représente une conception de référence basée FET GaN pour un convertisseur CA/CC bidirectionnel à une phase supportant une puissance de 6,6 kilowatts (kW). Le chargeur OBC peut charger la batterie de traction avec l'énergie du réseau et, inversement, pré-charger les condensateurs de liaison CC. Le dispositif convertit 240 VCA à 28 ampères (A) du côté primaire en 350 VCC à 19 A du côté secondaire.

Un seul microcontrôleur F28388DPTPS contrôle la liaison PFC totem-pôle à deux phases fonctionnant à une fréquence de commutation de 120 kilohertz (kHz), et une topologie CLLLC (C = condensateur, L = inductance) en pont complet suivie d'un redressement synchrone. Le convertisseur CLLLC utilise à la fois la modulation de fréquence et de phase pour la régulation de la sortie, et fonctionne à une fréquence variable de 200 kHz à 800 kHz.

Dans la Figure 7, la carte de contrôleur TMDSCNCD28388D correspondante (au centre) contrôle le circuit intermédiaire PFC côté primaire (à gauche) et le convertisseur CLLLC en pont complet côté secondaire avec redressement synchrone (à droite). Le schéma de cette conception est illustré à la Figure 8.

Figure 7 : La carte de contrôleur TMDSCNCD28388D (au centre) contrôle la liaison PFC côté primaire (à gauche) et le convertisseur CLLLC en pont complet côté secondaire avec redressement synchrone (à droite). (Source de l'image : Texas Instruments)

Un rendement pouvant atteindre 96 % à pleine puissance et une densité de puissance à cadre ouvert de 3,8 kW/litre sont rendus possibles par l'utilisation des nouveaux FET GaN haute vitesse LMG3522R030-Q1. Le facteur de puissance est de 0,999 avec moins de 2 % de distorsion harmonique totale (THD). Une alternative au LMG3522 est le FET GaN LMG3422R030RQZT, également qualifié automobile, avec une tension de commutation de 600 V et une résistance R_DS(ON) de 30 milliohms (mΩ). Il intègre également le circuit d'attaque de grille, la protection contre les surcharges et la surveillance de la température.

Figure 8 : Topologie du circuit de l'OBC comprenant le circuit intermédiaire PFC (à gauche) et les convertisseurs CLLLC en pont complet côté secondaire avec redressement synchrone (à droite). (Source de l'image : Texas Instruments)

Une caractéristique particulière de ce convertisseur CA/CC est le contrôle HHC, qui réduit considérablement la distorsion du passage par zéro en émulant la tension dans le condensateur résonant. Les résultats des tests montrent également une meilleure réponse transitoire, et la conception de cette boucle de commande est également plus simple que la commande de tension à boucle unique.

L'exemple d'un onduleur photovoltaïque montre l'efficacité avec laquelle le contrôle HHC réduit la distorsion des transistors de commutation en pont au passage par zéro (Figure 9, à gauche), éliminant ainsi les émissions ainsi que les distorsions sur le réseau électrique. La distorsion THD élevée de 7,8 % de la 3e harmonique sur la tension de grille sinusoïdale (Figure 9, en haut à droite) est réduite à 0,9 % en utilisant le contrôle HHC (Figure 9, en bas à droite).

Figure 9 : Le contrôle HHC peut considérablement réduire la distorsion des transistors de commutation en pont au passage par zéro (à gauche) et ainsi éliminer la distorsion THD. La distorsion THD élevée de 7,8 % de la 3e harmonique sur la tension de ligne sinusoïdale (en haut à droite) est réduite à 0,9 % (en bas à droite) en utilisant le contrôle HHC. (Source de l'image : ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

La conception du circuit de ce convertisseur CC/CC de 6,6 kW est d'ailleurs basée sur la conception de référence TIDA-010062 de TI, tandis que le C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, mentionné précédemment, facilite la conception de tels convertisseurs de puissance.

Conclusion

Les microcontrôleurs en temps réel série C2000 de Texas Instruments peuvent affronter la plupart des tâches de contrôle dans l'électronique de puissance automobile. L'application de ces écosystèmes de microcontrôleurs permet de concevoir des systèmes de manière rapide et économique en regroupant et en contrôlant conjointement ce qui serait typiquement un système électronique distribué à l'aide de puissants microcontrôleurs en temps réel.

Comme illustré, les circuits d'attaque de puissance GaN et SiC intelligents sont relativement faciles à mettre en œuvre. Des fonctions de bibliothèques étendues et des conceptions de référence pré-certifiées et entièrement documentées facilitent la mise en œuvre d'une commande moteur FOC et d'un contrôle HHC de convertisseurs plus efficaces.