电动汽车动力总成控制方法

单片机

基于TriCore™单片机新的软件模块的三相交流马达控制方案

长期以来，诸如永磁同步电机（PMSM）和感应马达等三相交流马达被广泛地应用于工业控制系统。在汽车应用领域，这些马达还是相对新鲜的装置，目前正逐渐被用作传统内燃机的补充或替代品。PMSM采用三相正弦波控制和机械位移的绕组。三相正弦波和时间位移电流可产生旋转磁场。这个旋转磁场让马达转动，通过MOSFET（在逆变器中）切换马达绕组中的电流产生该磁场。磁场定向控制（FOC）算法为马达电流控制生成PWM模式。转子的位置和电流持续不断地被检测。基于高性能单片机的高效FOC(磁场定向控制)系统，为电动汽车和混合动力汽车驱动提供安全和高效的解决方案创造了条件。

图1：以FOC模式运行的32位TriCore™单片机

AUDO MAX产品家族的PWM生成方式

英飞凌的32位AUDO MAX系列单片机内装一枚主内核（TriCore™ CPU，浅绿色）和一枚快速协处理器（PCP，深绿色）。这种非对称架构能够利用PCP高效处理外设负荷，同时无需中断在TriCore™ CPU上运行的主算法的处理进程。PCP负责处理实时关键中断负荷，因此可减轻CPU的负担。

有两种方案生成驱动逆变器的PWM。GPTA可生成非常复杂的PWM模式，例如不对称的死区生成或定制模式。外设模块CCU6是一个低端方案，可用于生成中心对齐和边缘对齐的PWM模式。相比GPTA而言，CCU6可以较低的软件开销直接支持PWM信号生成，无需配置多个定时器单元。

CCU6和GPTA这两个模块都具备触发功能，能够让PWM信号和A/D电流测量实现无时延的等时同步（参见箭头“触发事件”）。作为一个附加的安全特性，每个GPTA模块都配有“紧急模式停止信号”，可用于设置安全开关。针对TriCore™ AUDO MAX单片机家族的所有成员，提供一个安全平台（基于PRO-SILTM），它包含硬件（安全监测芯片CIC61508）和软件（SafeTcore驱动程序），可满足ASIL标准B级至D级要求。

通过模数转换器（ADC）测量电流

示例中采用两个模数转换器对两个马达相电流进行测量和转换。基于逐次逼近寄存器（SAR），该模数转换器具备很高的精度（12位分辨率），并且转换时间短于1微秒。从已知的两个相电流可以计算出第三个相电流。针对更高的安全要求，建议额外测量第三个马达相电流。针对这一应用，带有第三个模数转换器的单片机可供选择。

连接旋转变压器和编码器

旋转变压器将PMSM转子的角度位置转换为一个电气值。一般情况下，利用一个附加的正切函数电路从两个信号（正弦/余弦）导出转子角度值。旋转变压器电路的信号输出至SPI总线。也可由单片机直接读取旋转变压器的正弦和余弦信号。还有一种方式是读取编码器信号，然后在运行于单片机GPT12的编码器接口中对其进行调理，之后再馈回控制算法。

在AUTOSAR之外重复利用汽车电子应用软件

近年来，汽车电子应用软件和通信协议已被标准化为OSEK、AUTOSAR、FlexRay等。除标准化软件组件外，汽车电子系统还使用可在多种应用中重复利用的控制算法。如今，电气马达控制由分布在汽车车身、底盘和动力总成系统各处的电子控制单元（ECU）完成。

MC-ISAR eMotor驱动程序提取了三相电气马达应用中电流控制的一般特性，设计用于支持多种位置信息采集模式和逆变器控制装置。

三相电气马达控制

英飞凌AUDO MAX产品家族非常适用于控制电气马达。TriCore™架构和MC-ISAR eMotor驱动程序可采用高级控制策略控制多台三相电机，包括：

无刷直流马达（BLDC）方波换向（BC）
永磁同步电机（PMSM）磁场定向控制（FOC）

单一单片机甚至还能同时支持BLDC和PMSM马达控制。相比于其他类型的马达而言，采用FOC控制的PMSM电机能效更高、磨损更小，并且可以实现精确控制和定位。特别是，这种电机支持线性转矩控制，为将其用于混合电动汽车动力总成系统奠定了基础。

图2显示了MC-ISAR eMotor驱动程序的电流控制环路，右侧为复杂设备驱动（CDD）。这个时间关键型电流控制环路在中断上下文中进行处理，处理时间不超过50微秒。左侧是附加的软件组件（SWC），用于位置和转速控制，由应用程序提供。

图2:：马达控制中的电流控制环

位置检测和电流检测模式

为符合精确定位要求，MC-ISAR eMotor使用通过霍尔传感器外加增量编码器和旋转变压器的典型高分辨率检测模式。此外，还可将无传感器FOC用于故障安全模式。对于成本敏感的应用，AUDO MAX家族支持直接旋转变压器模式，该模式通过软件和离散组件实现，免除了配备外置旋转变压器IC的需要。这能让每个控制单元的成本降低2美元左右。

可支持两相或直流母线电流测量模式。

图3：MC-ISAR eMotor操作模式

MC-ISAR eMotor软件组件划分

该软件的组件可分为两类：不依赖于硬件的组件和依赖于硬件的组件。不依赖于硬件的模块用于EmoControl、位置信息采集PA和FOC。因此EmoControl是通过FOC控制方向和电流的主要模块。送入马达的电流决定了转矩。MC-ISAR eMotor驱动向应用程序反馈马达位置和转速信息。位置信息采集PA模块负责从旋转变压器和编码器信号中提取角度信息。具备Park/Clarke变换和空间矢量调制（SVM）功能的FOC，是通过检测给定电流和位置设置新电流值的主要组件。

硬件相关的模块，包括可重复使用的AUTOSAR MCAL驱动（ADC、SPI、DIO），PWM信号生成的专用模块（EmoPwm 驱动CCU6），和编码器接口EmoIcu（通过GPT12读取编码信号）。客户编写的位置和转速控制代码，可以按标准软件组件（SW-C）添加，就像AUTOSAR所提供的一样。

图4：磁场定向控制（FOC）模块框图

MC-ISAR eMotor安全考虑

为支持符合安全要求的应用，至关重要的是从开始设计软件组件时就考虑安全要求。在ECU开发阶段明确应用的特定需求，这些需求随应用的不同而不同。此外，为支持安全应用，还应考虑现货供应的马达驱动的某些安全功能。MC-ISAR eMotor采用符合ISO 26262的软件开发流程开发而成，并可同时支持在安全系统中的3个相电流测量。

英飞凌eMotor主要优势概述

英飞凌AUDO MAX家族和MC-ISAR eMotor驱动最多可同时控制4台PMSM或BLDC马达，同时为控制应用任务提供所需的性能。MC-ISAR eMotor和标准AUTOSAR MCAL驱动被集成于同一配置工具，因此，用户可在同一界面中为AUTOSAR MCAL和 MC-ISAR eMotor驱动配置单片机参数，为无缝配置不同软件模块创造了条件。汽车ECU开发人员可以专注于电气马达的应用相关控制，而不需要再次编写马达控制程序。为降低系统成本，AUDO MAX和MS-ISAR eMotor还支持直接旋转变压器模式，免除了加装旋转变压器IC。AUDO MAX家族和MC-ISAR eMotor驱动设计用于支持安全应用。

作者：
Thomas Hafner现任英飞凌科技股份公司汽车单片机软件营销经理，他持有电气工程硕士学位。

Günter A. Hank现任英飞凌科技股份公司32位汽车单片机产品营销经理，他持有电气工程硕士学位。

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