淺談應(yīng)用于HV/EV電機(jī)控制的32位微控制器原理及功能特點(diǎn)

近幾年混合動(dòng)力汽車(HV)和電動(dòng)汽車(EV)市場(chǎng)經(jīng)歷了迅速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)隨著環(huán)境問(wèn)題和原油價(jià)格的不斷上漲將進(jìn)一步增長(zhǎng)。而普及節(jié)能汽車、促進(jìn)駕駛生態(tài)化需在改善電機(jī)運(yùn)行、降低能耗和降低系統(tǒng)成本方面進(jìn)行革新。

此外，藝術(shù)元素和游戲般的感覺(jué)也使環(huán)保駕駛技能增加到指示功能當(dāng)中。越來(lái)越多的設(shè)備可以顯示汽車內(nèi)部與周圍的情況，例如儀表板顯示器、中央顯示器和抬頭顯示器。這些顯示設(shè)備需要通過(guò)高清晰度的圖像來(lái)直觀地向駕駛員傳達(dá)汽車及其周圍情況。

在這個(gè)意義上講，我們正處在這樣一個(gè)時(shí)代——消費(fèi)者在根據(jù)駕駛控制和駕駛輔助功能兩個(gè)方面來(lái)選擇他們的汽車。為了滿足這一要求，富士通半導(dǎo)體推出了用于HV/EV電機(jī)控制的32位微控制器MB91580系列，以及用于駕駛輔助顯示控制的系統(tǒng)LSI MB86R11。我們不妨來(lái)看看兩款器件到底有哪些具體功能和特點(diǎn)，又在汽車中發(fā)揮怎樣的作用。

MB91580的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制優(yōu)勢(shì)

MB91580系列是富士通半導(dǎo)體緊跟市場(chǎng)需求推出的節(jié)能汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制芯片。作為高性能32位閃存嵌入微控制器(MCU)的FR家族成員，該系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制功能。

該系列擁有專用嵌入旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)器接口，能夠開(kāi)拓性地控制EV和HV中使用的三相電機(jī)，實(shí)現(xiàn)EV/HV驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須的高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)控制過(guò)程達(dá)到改善電機(jī)運(yùn)行和降低能耗的目的。

此外，適于高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)控制過(guò)程的內(nèi)置外設(shè)功能，既可降低系統(tǒng)成本，又可實(shí)現(xiàn)高速反饋控制。高精度檢測(cè)電流和電機(jī)位置的12位A/D轉(zhuǎn)換器和R/D轉(zhuǎn)換器可檢測(cè)電角度，與檢測(cè)三相電流的A/D轉(zhuǎn)換器同步。

集成在160DMIPS高性能CPU內(nèi)的專用浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)利用內(nèi)置外設(shè)功能生成的信息處理向量轉(zhuǎn)換和PID控制運(yùn)算。該特性通過(guò)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步快速反饋控制，有助于改善電機(jī)運(yùn)行和降低能耗。此外，通過(guò)抑制與電機(jī)控制有關(guān)的CPU負(fù)載，可對(duì)系統(tǒng)而不是功率電機(jī)(DC/DC轉(zhuǎn)換器和電池管理等)進(jìn)行控制，這有利于通過(guò)系統(tǒng)集成消減整體成本。

MB86R11的圖像顯示優(yōu)勢(shì)

圖1：富士通的主動(dòng)綠色貢獻(xiàn)

混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車有以下三大創(chuàng)新：第一是電子控制單元(ECU)的創(chuàng)新，以改善混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)車性能。使用ECU可以改善電機(jī)的可控性，同時(shí)不改變當(dāng)前的硬件，包括電機(jī)和逆變器。第二個(gè)創(chuàng)新是通過(guò)整體優(yōu)化方法，包括系統(tǒng)的重新配置大幅降低系統(tǒng)成本。第三個(gè)創(chuàng)新是改善逆變器模塊，使其能夠進(jìn)一步滿足電力和節(jié)能要求，采用超越目前IGBT損耗特性的元件大幅提高能源利用效率。

為了幫助客戶實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，富士通不斷開(kāi)發(fā)以LSI和軟件為重點(diǎn)的產(chǎn)品，及時(shí)提供各種解決方案。圖2是推動(dòng)混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車進(jìn)一步發(fā)展的三大創(chuàng)新。

圖2：混合動(dòng)力車和電動(dòng)車發(fā)展的三大創(chuàng)新

ECU創(chuàng)新

滿足混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)需要環(huán)路控制來(lái)精確檢測(cè)電機(jī)工作條件，并計(jì)算高速反饋信息的控制水平。具有內(nèi)置R/D轉(zhuǎn)換器的MB91580系列微控制器就是一個(gè)滿足ECU創(chuàng)新的解決方案。其重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)有效的環(huán)路控制。例如，MB91580系列的內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器和R/D轉(zhuǎn)換器可以高速度和精度高檢測(cè)電機(jī)的電流和位置，在如圖3所示。

圖3：電機(jī)控制算法

旋轉(zhuǎn)變壓器(resolver)的電角度是通過(guò)R/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算的，可以將特殊功能寄存器與A/D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到的三相電流同步鎖定。電角度的SIN(正弦)和COS(余弦)值也可用單精度浮點(diǎn)數(shù)格式(IEE754標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。與采用傳統(tǒng)自定義格式的固定點(diǎn)方法相比，這將提高10%至15%的計(jì)算速度。

成本創(chuàng)新

混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵之一是降低成本。通過(guò)系統(tǒng)集成就可能做到這一點(diǎn)。圖4和5是通過(guò)電池管理ECU和DC-DC控制ECU的系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新框圖。

圖4：整合系統(tǒng)功能以降低成本：BMS集成

圖5：系統(tǒng)功能集成以降低成本：DC-DC集成

這些集成可以通過(guò)在微控制器中集成ECU控制與電機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。如前所述，富士通的MCU可以通過(guò)電機(jī)控制抑制CPU負(fù)載率，因此它可以同時(shí)進(jìn)行電池管理控制和DC-DC控制。

節(jié)能創(chuàng)新

在駕駛輔助方面，MB86R11可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)綠色(Passive Green)功能，幫助駕駛者體驗(yàn)挑戰(zhàn)油耗的綠色生活理念。駕駛者可以利用指示功能檢查如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)駕駛(Eco-Driving)。MB86R11的圖像顯示功能能夠根據(jù)駕駛場(chǎng)景自由切換顯示信息，并支持安全駕駛，包括采用攝像機(jī)圖像的整車邊界檢查，為在駕駛者提供易于使用的生態(tài)駕駛輔助功能。

此外，富士通還在利用其GaN HEMT技術(shù)解決混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制的節(jié)能創(chuàng)新問(wèn)題。我們可以拭目以待。