. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Mikrokontroléry pro pohon hybridních a elektrických automobilů
25. listopadu 2016 - 6:39 | Gerhard Wenderlein | Mikrokontroléry pro pohon hybridních a elektrických automobilů | Komentářů: 3  

Mikrokontroléry pro pohon hybridních a elektrických automobilů

Elektrický pohon má ve srovnání s pohonem od konvenčních spalovacích motorů hned několik výrazných předností. Elektrické motory obvykle disponují vyšší účinností, lepším točivým momentem i výkonovou charakteristikou. Zároveň umožňují jednodušší design, produkují nižší hluk a prakticky žádné jedovaté emise.

Největším současným problémem je v této oblasti především omezená možnost skladování energie. Z toho důvodu využívá řada vozidel raději inteligentní správu baterií s hybridním řešením, tj. kombinaci elektromotoru a spalovacího motoru.

V tomto článku se zaměříme na základní popis používaných technologií, se zvláštním zaměřením na elektronickou řídicí jednotku pro ovládání elektromotoru a specifické požadavky na řídicí mikrokontrolér. Vyjdeme přitom z nabídky produktů Texas Instruments, obsahující rodinu mikrokontrolérů s označením TMS570. Tyto obvody implementují všechny vlastnosti, nutné pro použití v aplikacích automobilového průmyslu.

Úvod
Možnosti výbavy dnešních elektrických vozidel, častěji označovaných jako elektromobily, jsou velmi široké. Zahrnují systémy od jednoduchých aplikací start-stop, až po komplexní řízení hybridních systémů, které jsou tvořeny elektromotorem, napojeným na spalovací motor. Zde je možné dále systémy dělit na paralelní a sériovou architekturu. V paralelní architektuře jsou jak spalovací motor, tak i elektromotor vedeny přímo na pohonný systém vozidla. Naproti tomu v sériové architektuře, také známé jako Range Extender, je vlastní pohon tvořen pouze elektrickým motorem. Malý spalovací motor se zapne pouze v případě potřeby nabití napájecí baterie. Pracuje tedy výhradně jen jako generátor.

Na pozici elektromotorů jsou občas používány tzv. spínané reluktanční motory (SRM - Switched Reluctance Motor) a AC indukční motory. Ve většině případů jsou však použity klasické synchronní motory s permanentními magnety (PMSM - permanent magnet synchronous motors). Je tomu tak především kvůli jejich vysoké účinnosti, výkonu a vysokému točivému momentu při nízkých otáčkách motoru. Synchronní obvod je v nich provozován při synchronní rychlosti rotoru a statoru.


Obr. 1: Bloková architektura elektromobilu

Pohonný systém vozidla je řešen individuálně, v závislosti na jeho typu. Je možné použít jak samostatný elektromotor pro každou nápravu zvlášť, tak pouze jeden elektromotor pro celé vozidlo. Všechny tyto případy jsou dnes již v elektrických vozidlech buď ověřeny a implementovány, nebo jsou připraveny ve fázi prototypů.

Zároveň je obvykle elektromotoru využíváno i při brzdění vozidla. V tu chvíli dochází zpět k přeměně kinetické energie na energii elektrickou, vracející se zpět do baterie (tzv. rekuperační brzdění). Elektromotory jsou v takových případech využívány jako generátory.

Měniče a regulátory
Vysokonapěťová pohonná baterie má u malých hybridních vozidel napětí v rozsahu od 40-150V, případně v řádech 100 voltů u velkých typů. Dále jsou v systémech používány pulzní DC/AC měniče s typickou konfigurací do mostu typu B6 s tranzistory MOSFET. To jsou téměř ideální elektronické spínače pro napětí do 120V. Na vyšší napětí jsou poté využívány tranzistory IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) s minimálním odporem a nízkou spínací ztrátou. Řídicí jednotka motoru je v podstatě téměř vždy složena z hlavního mikrokontroléru, obvodů pro řízení a monitorování výkonu a elektroniky motoru a komponent pro zpracování senzorových signálů, komunikaci a napájení.


Obr. 2: Mikrokontrolér a výkonová elektronika pro řízení elektromotoru

Měření fázových proudů
Pro řízení točivého momentu motoru a všech jeho cyklů je nutné, aby mikrokontrolér dostával dostatečné množství informací o aktuálním stavu všech fázových proudů motoru. Ty však při vysokém zatížení dosahují hodnoty až 100A, proto je pro jejich měření nutné použít převodník s galvanickým oddělením mezi primárním okruhem (vysoký výkon) a sekundárním okruhem (řídicí obvody). Tyto převodníky využívají známého Hallova jevu a na sekundární straně obvykle poskytují lineární průběh napětí, úměrný měřenému proudu. Využití Hall-efektu pro měření proudu má tu výhodu, že snímače mohou být umístěny vně silového kabelu a nezpůsobují tak problémy s jeho ovlivněním. V alternativním případě, využívajícím sériových měřicích rezistorů, vznikají nežádoucí ztráty a samozřejmě i odpadní teplo, což je při měření proudů nežádoucí. Při použití bezkontaktního principu měření jsou účinky snímače na primární kabel prakticky nulové.

Izolace
Izolace slouží k oddělení střídače a kontrolní jednotky mikroprocesorem, mezi kterými je obvykle velký rozdíl potenciálů. Z důvodu bezpečnosti je od ní vyžadován naprosto spolehlivý provoz při všech rozdílech napětí mezi uvedenými prvky. Dále je navíc třeba do značné míry zohlednit i možné poruchové stavy a závady na libovolném místě v systému. Společnost Texas Instruments k tomuto účelu nabízí například rodinu obvodů ISO72xx, což jsou digitální izolátory, kvalifikované pro použití v automobilovém průmyslu. Mezi jejich přednosti je možné zařadit nízkou spotřebu energie a přenosovou rychlost až 250 Mbps. V těchto obvodech je navíc využíváno kapacitního galvanického oddělení, které má na rozdíl od optické nebo magnetické izolace velmi dobré vlastnosti. Především z hlediska maximální přenosové rychlosti, spolehlivosti provozu, ESD ochrany a EMI.

Mikrokontrolér
Texas Instruments nabízí rodinu mikrokontrolérů TMS570, které jsou vhodné pro použití v automobilovém průmyslu a to jak ve funkcích regulátorů, tak i bezpečnostně-kritických aplikacích. Obvody TMS570 mají snahu zjednodušit vývoj cílových systémů, neboť jsou již primárně navrženy pro dosažení Safety Integrity Level 3 (SIL 3) standardu IEC61508. Použití mikrokontrolérů TMS570 je možné ve všech aplikacích elektrických vozidel, tedy od osvětlení interiéru až po řízení pohonných jednotek, majících vysoký vliv na bezpečnost provozu.

Polem-orientovaný přístup k řízení asynchronních strojů je dnes nejmodernější technikou, avšak spolu se sdělovací, zabezpečovací a diagnostickou schopností patří do standardizované softwarové architektury (AUTOSAR). Ta klade obecně vysoké nároky na výpočetní výkon mikrokontrolérů. Obvykle je tak nutné použít rychlejší procesory, které podporují dosažení vyšších integrací a komplexnějších funkcí, speciálně určených pro elektromotorové pohonné systémy s lepším dynamickým výkonem a efektivitou systémů.

V současné době jsou dostupné například moduly TMS570LS, zahrnující dva 32-bitové procesory Cortex™ R4F CPU, pracující v režimu "lock-step". Taktované jsou na 160 MHz (250 DMIPS) a při práci využívají přidruženou jednotku pro práci s plovoucí čárkou (FPU), vhodnou pro rychlé 32-bitové a 64-bitové výpočty a operace s plovoucí desetinnou čárkou (IEEE 754). Instrukce s plovoucí čárkou a celočíselné instrukce je tak možné zpracovávat paralelně, s cílem dosažení vyššího výpočetního výkonu. FPU tak výrazně pomáhá zjednodušit vývoj software, jako jsou regulace a řídicí algoritmy, využívající stále náročnější modelově-založené kódové struktury. Výsledky s pohyblivou desetinnou čárkou mohou být následně programově integrovány do libovolného projektu.

Jádro Cortex™ může střídavě využívat R4F a Thumb-2 instrukční set a 16- nebo 32-bitového zpracování instrukcí, podle aktuálních požadavků programového kódu. Tím je zajištěn optimální kompromis mezi výpočetní rychlostí a velikostí programového kódu. Obvody z řady TMS570 jsou v současné době k dispozici s integrovanou programovou pamětí typu Flash s kapacitou 1 až 2 MB a datovou pamětí 128 až 160 KB.


Obr. 3: Blokové schéma mikrokontroléru TMS570LS

High End časovací koprocesor
Důležitou složkou mikrokontrolérů TMS570, využívanou pro řízení elektromotorů, je tzv. High End Timer (NHET). Jedná se o přidružený časovací koprocesor, který lze programovat pomocí speciálních instrukcí. Program je poté schopen ovládat až 32 konfigurovatelných vstupních nebo výstupních pinů.

Vlastní program je kopie, pořízená během inicializace systému v paměti RAM NHET. Během samotného provozu může CPU dále zapisovat nové hodnoty do datových polí v RAM, například pokud má NHET generovat pulsně-šířkovou modulaci, nebo zachytit čtená data. Pro snížení zatížení procesoru je možné čtení i zápis provádět pomocí DMA nebo HTU (High End Timer Transfer Unit), s využitím NHET DMA řadiče.

Klasické třífázové elektrické motory vyžadují obvykle časovač, generující šest pulsně-šířkově modulovaných signálů. Jejich výsledkem je vzor signálu, obsluhující výkonové spínače a tvořící třífázový systém s danou úrovní, fázovým úhlem a frekvencí. S moduly NHET je možné vytvořit řízení i dvou tří-fázových motorů. K dispozici jsou tak další typy obvodů TMS570, integrující dva NHET moduly. Moduly NHET navíc vynikají i svou vysokou flexibilitou pro různé typy úkolů, což jim umožňuje použití např. pro ovládání libovolných měničů systémových okruhů. Speciální funkcí NHET je poté schopnost vyhodnocování digitálních snímačů signálů, například z čidel proudu nebo rotací, spojené s jejich vyhodnocováním. V neposlední řadě je třeba rovněž zmínit schopnosti kontroly toku dat bez zatížení CPU, například výstupních signálů, informací o stavu událostí na vstupní signály, atd.

Analogově-digitální převodník
Pro konverzi analogových signálů z připojených senzorů jsou v obvodech TMS570LS dostupné dva analogově-digitální převodníky typu MibADC (multi-input-buffered analog-digital converter) s 12-bitovým rozlišením a 24 vstupními kanály. Pro snížení zatížení jádra obvodu jsou oba moduly MibADC vybaveny svou vlastní paměťovou oblastí RAM, ve které je možné uchovávat až 64 výsledků posledních konverzí. Výsledky jsou ukládány pro každý modul samostatně a to v předem stanovených časových intervalech, čtených pomocí CPU nebo DMA. Již zmíněný modul NHET má rovněž k dispozici rozsáhlé možnosti konfigurace pro A/D konverzi vstupních signálů. Například je tak možné s pomocí NHET zajistit sekvenční start více kanálů A/D převodníků, například na základě definovaných časových bodů PWM signálu.

Analogové signály pro ADC je možné rozdělil na dva typy. Kritické signály, informující o pohonném systému nebo fázových proudech motoru, které jsou dále využívány pro zpracování algoritmů řízení motorů v mikrokontroléru. Dále pak ostatní signály, které informují například o typickém DC napětí na střídači, teplotě motoru či stavu dalších spínačů. Chcete-li určit polohu rotoru elektrického motoru, je třeba na získané hodnoty aplikovat matematické funkce jako je sinus/cosinus. K tomu je třeba mít k dispozici aktuální hodnotu jak všech kritických analogových senzorů, tak i digitálních snímačů, jako jsou např. Hallovy sondy, které jsou v systému použity. V závislosti na typu signálu je převod řízen jádrem procesoru, nebo časovačem v modulech NHET.

Komunikace
Je-li ve vozidle umístěno několik elektromotorů, musí řídicí elektronika přijmout pravidla pro jejich vzájemné řízení a/nebo komunikovat na úrovni obecného rámce (s nadřazenou jednotkou). V takovém případě hrají nesmírně důležitou roli právě použitá komunikačních rozhraní. Pro koordinaci systému a pro připojení k nadřazeným obvodům systému vozidla je nejčastěji integrována sběrnice typu FlexRay™ - nebo mohou být použity CAN moduly s TMS570. Pro modul FlexRay je důležité, aby podporoval čtení dat bez interakce CPU, podobně jako pracuje DMA, o což se stará jednotka FlexRay Transfer Unit (FTU). Kromě toho umožňuje připojení k jednotce regulátoru, čidel a ASIC nebo SPI- či LIN/SCI modulu. Oba tyto moduly mají vlastní RAM, pracující jako paměť cache pro odesílaná nebo přijímaná data.

Bezpečnostní požadavky
Rotor bezpřevodového PMSM motoru je ovlivňován magnetickým polem cívek statoru a z bezpečnostních důvodů je zajištěno, že se rotor otáčí i v případě selhání systému či zkratu ve střídači nebo vinutí statoru. V takovém případě je nutné, aby byla chyba přesně identifikována a byly provedeny takové kroky, které nejen že zabrání poškození motoru zkratovými proudy, ale především zabrání mnohem nebezpečnějšímu brzdnému momentu PMSM motoru.

Architektura elektrického vozidla má zásadní význam pro bezpečnostní aspekty, které jsou podle typu paralelní nebo sériové koncepce obvykle velmi odlišné. Tak například „malý hybrid“ má nižší požadavky na bezpečnost elektrického pohonu, který je tvořen čistě elektrickou koncepcí. I tak je však například brzdný systém velice důležitou částí systému, mající výrazný vliv na celkovou bezpečnost vozidla. Jeho součástí musí být analýza zabezpečení pomocí elektromotoru, provozovaného v režimu generátoru, jako regenerační brzdný systém.

Rozhodující slovo při vývoji bezpečnostně-kritických elektronických systémů, včetně přidružených vývojových procesů a kvalitativních opatření, má především mezinárodní norma IEC 61508, která je v platnosti od roku 2004. Její splnění je naprosto nezbytné především z důvodů odpovědnosti. Standard ISO26262, který je v současné době ještě ve stádiu návrhů, vychází z IEC61508 a zaměřuje se na specifické podmínky v automobilovém sektoru. Především se zaměřuje na bezpečnost souvisejících elektrických nebo elektronických systémů v motorových vozidlech.

Bezpečné vozidlo musí bezpodmínečně projít všemi kontrolami pohonného systému a to jak mechanickým (např. uložení prvků, přenos), tak i elektrickým (např. motor, měnič, elektronické řízení) systémem. Právě z těchto důvodů byl v mikrokontrolérech TMS570 kladen zvláštní důraz na bezpečnost jednotlivých prvků a možnost jeho použití i ve funkci hlavního prvku obvodů řídicí elektroniky.

Mikrokontroléry TMS570 jsou navržen speciálně pro splnění Safety Integrity Level 3 (SIL 3) ze standardu IEC61508 a využívají k tomu dlouholeté zkušenosti s vývojem mikrokontrolérů firmy TI a dalších obvodů určených pro bezpečnostně-kritické aplikace v automobilovém průmyslu. Ověření a certifikace splnění SIL 3 pro bezpečnostní koncepce bylo na TMS570 Exida provedeno nezávislou, odborně kvalifikovanou externí společností.

Rodina obvodů TMS570LS na jediném čipu kombinuje dvě shodná jádra typu Cortex™ R4F CPU, se shodným programem při použití funkce "lock-step". Operace a výsledky obou výpočtů jsou v každém cyklu logiky CPU porovnávány s cílem identifikovat potenciálně problémová místa a adekvátně na ně reagovat. Obě procesorová jádra mají implementovány geometrické a časové rozdíly, sloužící ke společnému odhalení možných hardwarových chyb. Druhý CPU R4F je uveden zrcadlově a při zpracovávání kódu využívá zpoždění v řádu několika cyklů.


Obr. 4: Dual Core TMS570LS subsystém při synchronizovaném provozu

Výhodou synchronní architektury je především vysoké diagnostické pokrytí, neboť hardware, porovnávající práci obou procesorů, pracuje trvale v každém cyklu CPU. V případě detekce chyby je během několika cyklů procesoru schopen přejít do chybového - bezpečného „stavu připravení“, tj. být vypnut. S ohledem k tomu je detekce chyb možná pouze na hardwaru, který je pro software transparentní, alespoň pokud jde o procesorové chyby. (Řada dalších možných typů poruch, pocházejících z mikrokontroléru, je detekována pomocí hardwarových mechanismů, uvedených níže.) Obecně jsou náklady na vývoj softwaru a systému zabezpečení na straně validace značně omezeny. Kvůli transparentnosti softwarových knihoven pro detekci poruch software, mohou uživatelé své aplikace integrovat s nižšími náklady na celý projekt. Obecně tedy platí, že vhodným využitím dostupných služeb je možné snížit náklady na vývoj procesorového systému.

Pokud požadujete jak detekci chyb v programu, tak i datové paměti procesoru TMS570LS a samozřejmě zajištění příslušné reakce, má každý Cortex™ R4F CPU integrovánu logiku opravy chyb - ECC. Tento modul umožňuje opravit chyby v jednom bitu a detekovat chyby ve dvou bitech datového slova. Není však schopen sledování vnitřní adresovou sběrnici a hardwarový dekodér paměti.

Obvody integrují dva typy self-test monitorovacích modulů CPU (LBIST) a pracovních dat (PBIST). Modul LBIST kontroluje Cortex™ R4F CPU během inicializace jeho správce nebo při žádosti o skryté vady CPU. Naproti tomu modul PBIST umožňuje testování datové paměti (RAM) s různými, uživatelsky volitelnými algoritmy. Uvedené integrované moduly BIST jsou určeny k nahrazení a zjednodušení odpovídajících softwarových testovacích procedur.

Všechny periferní moduly, které mají integrovánu vlastní paměť (NHEt, MibADC, FlexRay™, DCAN a MibSPI), využívají hardwarovou paritní logiku. Avšak i tyto oblasti RAM mohou být otestovány s využitím modulu PBIST.

Pro monitorování přístupu k určité oblasti přidělené paměti, nebo oblasti se zvláštními přístupovými právy, je možné využít jednotku ochrany paměti - MPU (Memory Protection Unit). Pro otestování staticky uložených dat je k dispozici 64-bit CRC jednotka, umožňující provoz na pozadí s využitím DMA přenosů. Kromě toho mají všechny periferní modul vlastní schopnost detekce základních typů chyb, jako je například self-test analogově-digitálního převodníku.

Všechny uvedené hlavní moduly, určené pro detekci chyb, jsou spojeny s modulem signalizace poruchových stavů. Ten umožňuje centralizovanou volbu priorit, analýzu a signalizaci všech zjištěných chyb dalším obvodům.

TI v architektuře TMS570 využívá zkušenosti ze svých řešení na míru a dlouhodobých zkušeností s asymetrickými (ne "lock-step") mikrokontroléry, v nichž jsou Cortex™ R4 a Cortex M3™ CPU integrovány. Zde, v bezpečnostně-kritických aplikacích, je k obvodu Cortex M3™ CPU přidán Cortex™ R4 CPU především jako bezpečnostní monitor, nebo naopak. Krom toho má každý integrovaný CPU své vlastní úkoly, čímž se zvyšuje celkový výpočetní výkon.


Obr. 5: Srovnání obvodů TMS570LS a TMS570MC

Shrnutí a výhled
Uvedené mikroprocesory s jádrem ARM™ byly vyvinuty pro použití právě v automobilovém průmyslu (mimo jiné). Je však celá řada výrobců, která tyto obvody s výhodou používá například jako jádra počítačů apod. Jejich předností je rovněž standardizace procesorových jader, která umožnila podporu produktů tzv. třetích stran a to jak vývojových nástrojů, tak i přesně cílených softwarových komponent. Knihovny FlexRay™ a AUTOSAR ovladače jsou dostupné i pro TMS570LS.

Dostupné obvody rodiny mikrokontrolérů TMS570 nabízejí vysoký výkon a sadu integrovaných komponent a bezpečnostních prvků, určených pro použití v aplikacích řízení pohonu elektrických vozidel. Připravované typy obvodů TMS570 (uvedené na obr. 5) mají nabídnout až 4 MB programové paměti flash a architekturu dvou CPU Cortex™ R4F v konfiguraci lockstep. Samozřejmě i nadále bude zachována možnost provozu odděleně a zpracovávání dvou různých programů. Využitím paměti cache nabídnou uvedené typy ještě vyšší výpočetní výkon, podporující (volitelně) další integrované I/O rozhraní procesoru.

Více informací o obvodech TMS570 a vývojových nástrojích lze nalézt na adrese www.ti.com/tms570. Dále je k dispozici průvodce „Hybrid and Electric Vehicle Solutions Guide“ (viz http://focus.ti.com/lit/ml/szza058/szza058.pdf) přibližující širokou škálu polovodičových produktů TI, určených pro použití v hybridních a elektrických vozidlech.

Autor:
Gerhard Wenderlein - Aplikační inženýr automobilových systémů, Texas Instruments

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

Informace o obvodech TMS570







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (3):

Zobrazit starší 30 dnů (3)...

host
3. Dne 13. 12. 2010 v 11:13 zaslal host
Bez titulku
Je to pekne reseni, ale casteji se pouzivaji dva samostatne procesory. To z duvodu bezpecnosti, protoze tak jeden hlida druhy. Casto se pak pouzivaji i samostatne napajeci zdroje a vubec cela procesorova jednotka.

Napriklad u drazni zabezpecovacky se pouzivaji dve samostatne jednotky. Treba u prejezdovych svetel a pod. Jedna pocita v kladne logice a druhe v zaporne a vysledky musi vzdy souhlasit.

Ale jo, pekny clanek. U aut se ctyrmi lidmi neni asi tak vysoka bezpecnost potreba, jako u vlaku.


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Nabíječka Li-ion/Li-pol akumulátorů - PUCHRG
Moduly PUCHRG – nabíječky Li-ion a Li-pol článků představují snadné řešení pro bezpečné a rychlé nabíjení Lithium-iontových a Lithium-polymerových akumulátorů.
Skladem od 180 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007