Las crecientes exigencias técnicas de la electrónica de potencia de los modernos vehículos eléctricos (VE) e híbridos (HEV) plantean cada vez más a los diseñadores una tarea casi insuperable. El aumento de la eficiencia energética y de la densidad de potencia de los sistemas de transmisión y conversión de energía exige una electrónica de control más compleja que incorpore tecnología eficiente de nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC) que funcione a altas frecuencias de conmutación. Además de la seguridad funcional, los vehículos conectados también operan bajo requisitos de seguridad a nivel de TI y aplican intervenciones del sistema, como las actualizaciones de firmware por aire (FOTA).
Ante los ajustados presupuestos de desarrollo y los precios competitivos de los productos finales, los diseñadores de electrónica de potencia se ven obligados a buscar formas de simplificar el diseño de los sistemas, incluida la implantación de soluciones de control más integradas.
Para ayudar a superar estos retos, este artículo analiza algunas de las ventajas de los microcontroladores (MCU) en tiempo real compatibles con el sector de la automoción de la serie C2000 de Texas Instruments, que son adecuados para los controles de accionamiento y los convertidores de potencia de los VE y los HEV. Tras una breve descripción del funcionamiento y de la interfaz de la familia de controladores F28003x, el artículo ofrece una visión de la implementación del control orientado al campo (FOC) en el inversor de tracción, y del control de la corriente histerética en el cargador de a bordo.
Más eficiencia para los accionamientos controlados y los convertidores de potencia
Las notables prestaciones de los vehículos eléctricos y de alta velocidad actuales se deben en gran parte al control electrónico de los accionamientos y los convertidores de potencia. Las MCU en tiempo real utilizadas en estos subsistemas emplean complejos algoritmos de control y precisos modelos de motor para responder con extrema rapidez, con un retardo de control de solo unos microsegundos (µs). Si el control de bucle cerrado en tiempo real es demasiado lento y no cumple con la ventana de tiempo definida, la estabilidad del bucle de control, la precisión y la eficiencia se degradan.
Para permitir el uso de controladores proporcionales-integrales-derivados (PID) de las bibliotecas estándar, los controladores vectoriales transforman el sistema de corriente trifásica del estator en un vector de espacio de corriente bidimensional para controlar la densidad de flujo magnético y el par del rotor. Un bucle de corriente rápido (flecha azul en la figura 1) debería conseguir un retardo de control inferior a 1 µs.
Figura 1: Para lograr un control estable, una MCU en tiempo real debe completar todas las operaciones aritméticas por paso de bucle (flecha azul) en menos de 1 µs. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
Combinando un control vectorial rápido como el FOC y un motor de reluctancia síncrono de imanes permanentes (IPM-SynRM) de alta eficiencia, los accionamientos de motor alcanzan grandes pares y hasta un 96% de eficiencia en comparación con el motor de corriente continua clásico (es decir, el motor síncrono de imanes permanentes, o PMSM). Los diseñadores pueden implementar el control de par variable entre la fuerza de Lorentz y la fuerza de reluctancia del IPM-SynRM utilizando una MCU de tiempo real de la serie C2000 y el software C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK de forma eficiente en tiempo y costos. El FOC también permite controlar los SynRM con gran precisión -incluso sin imanes ni sensores de posición-, lo que ahorra costos y peso del sistema y hace que el motor sea más resistente a las sobrecargas.
Para los convertidores de potencia CA-CC que funcionan como cargadores a bordo de vehículos eléctricos (OBC) o, a la inversa, como inversores fotovoltaicos, es importante mantener la red eléctrica libre de distorsiones armónicas. Esta conmutación de tensión cero (ZVS) poco limpia puede contrarrestarse con un control histerético híbrido (HHC) de la corriente. En este caso, los desarrolladores también pueden confiar en las MCU C2000 para acelerar el diseño de los circuitos aplicando algoritmos de control de alto rendimiento del repositorio de software C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK.
Simplifique el diseño de sistemas de vehículos eléctricos con las MCU C2000
Para simplificar el diseño de sistemas de potencia, Texas Instruments ofrece la MCU de la serie C2000 en tiempo real para la rápida implementación de complejos controles de potencia, facilitando el diseño de diversos controles flexibles gracias a un completo entorno de desarrollo de hardware y software. Una sola MCU C2000 permite a los diseñadores de vehículos implementar trenes motrices de vehículos eléctricos más pequeños y asequibles a la mitad del costo, ya que están diseñados para manejar simultáneamente cargadores a bordo, convertidores CC-CC e inversores de tracción. También son concebibles aplicaciones como la climatización, los sistemas de asistencia al conductor y el control de las pilas de combustible.
Los diseñadores de sistemas pueden utilizar una única y potente MCU para controlar múltiples componentes de la electrónica de potencia y del sistema distribuidos por todo el vehículo. El sitio web de TI, especialmente el Explorador de Recursos y la Academia C2000, ofrece a los diseñadores una gran cantidad de ayuda en forma de hojas de datos, notas de aplicación, placas de evaluación, diseños de referencia, videos de formación y un foro de desarrolladores.
TI ha optimizado la familia F28003x de controladores en tiempo real específicamente para su uso en vehículos eléctricos en términos de rendimiento, integración y costo. Al ofrecer 240 MIPS de potencia de procesamiento y periféricos de control en tiempo real integrados, los diseñadores de circuitos pueden mejorar la precisión y la eficiencia energética de sus sistemas de control de motores y conversión de energía basados en una MCU F280039CSPZ, sin necesidad de una FPGA. Además, la tecnología de GaN y SiC, de fácil aplicación, reduce las pérdidas de conmutación y aumenta la densidad de potencia gracias a las mayores frecuencias de conmutación, los componentes magnéticos más pequeños y la menor necesidad de superficie de refrigeración.
La serie F28003x soporta las comunicaciones de la red de área de controladores Full Duplex (CAN FD), así como varias interfaces seriales rápidas. Una memoria flash integrada de 384 kilobytes (Kbytes) ofrece amplias reservas para la realización de funciones del Internet de las cosas (IoT) en red. Las funciones de seguridad en el chip, como el arranque seguro, un motor de encriptación AES, el bloqueo JTAG y la autocomprobación integrada en el hardware (HWBIST), garantizan que las intervenciones en el sistema en red, como las actualizaciones de firmware en vivo y por aire (FOTA), estén protegidas contra la manipulación. Las MCU cumplen los requisitos ASIL B y llevan incorporada la seguridad funcional, lo que acelera tanto el tiempo de desarrollo de las aplicaciones como la certificación necesaria para su lanzamiento al mercado. La figura 2 ofrece una visión general de las funciones e interfaces esenciales.
Figura 2: Diagrama de bloques de funciones de la MCU F280039C que muestra aspectos destacados como el procesamiento rápido, las comunicaciones flexibles y las opciones de detección, así como características de soporte de seguridad como el arranque seguro. (Fuente de la imagen: Texas-instruments)
La TMDSCNCD280039C, ideal para pruebas y prototipos, es una placa de evaluación adecuada para el F280039C. Para hacer funcionar esta controlCARD equipada con un cabezal HSEC180 (conector de borde de alta velocidad de 180 pines), se requiere una estación de acoplamiento TMDSHSECDOCK de 180 pines.
Bloques lógicos configurables (CLB) para una lógica personalizada
Los innovadores bloques lógicos configurables (CLB) permiten a los programadores integrar la lógica personalizada en el sistema de control en tiempo real C2000, eliminando la lógica externa, los FPGA, los CPLD o los ASIC. Al añadir un CLB, los módulos periféricos existentes de la C2000, como el modulador de ancho de pulso mejorado (ePWM), la captura mejorada (eCAP) o el codificador de pulso en cuadratura mejorado (eQEP), pueden ampliarse con señales y funciones específicas del cliente.
Los bloques lógicos se configuran a través de C2000 SysConfig, que está disponible en C2000Ware. Requiere la herramienta SysConfig, que forma parte del entorno de desarrollo integrado (IDE) Code Composer Studio (CCS) de TI o está disponible como herramienta independiente para su uso con otros IDE (Figura 3).
Figura 3: Los CLB facilitan la implementación de lógica personalizada en el sistema de control en tiempo real de la C2000, eliminando la necesidad de lógica externa y FPGA. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
El paquete de software y documentación de la C2000Ware minimiza el tiempo de desarrollo al proporcionar amplios controladores, bibliotecas y ejemplos de aplicación específicos para cada dispositivo, así como al ampliar los dispositivos periféricos mediante CLB.
La base para el desarrollo del código y la depuración de las aplicaciones embebidas de la C2000 es el IDE CCS. La colección de herramientas incluye un compilador de C/C++ optimizado, un editor de código fuente, un entorno de construcción de proyectos, un depurador, un perfilador y muchas otras funciones. El intuitivo IDE ofrece una interfaz de usuario única que guía a los usuarios en cada paso del desarrollo de aplicaciones. Las herramientas e interfaces familiares basadas en el marco de software Eclipse contribuyen a que los usuarios puedan empezar a trabajar rápidamente.
Reloj y pruebas
En lugar de intervenir en la compleja periferia del reloj mediante CLB, los programadores pueden utilizar el generador de patrones integrado (EPG) para realizar sencillos escenarios de prueba durante la programación o la validación. El módulo EPG independiente facilita la generación de patrones de pulsos personalizados (SIGGEN) y señales de reloj (CLOCKGEN), pero también puede capturar y remodelar un flujo de datos en serie entrante o sincronizar con señales de reloj generadas.
Para la depuración y la monitorización y perfilado de los buses críticos de la CPU y los eventos de los dispositivos de forma no intrusiva en un sistema de tiempo real C2000, se utiliza el Diagnóstico y análisis embebido en tiempo real (ERAD). El módulo de hardware ofrece comparadores de bus ampliados y contadores de eventos del sistema situados dentro de la arquitectura de bus de la MCU (Figura 4).
Figura 4: ERAD proporciona comparadores de bus avanzados y contadores de eventos del sistema para la generación de interrupciones, reside dentro de la arquitectura de bus de la MCU y permite la depuración del sistema de tiempo real de forma no intrusiva. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
ERAD puede generar independientemente interrupciones y banderas a nivel de sistema y alimentarlas a otros periféricos como el CLB.
Implementación más rápida de los controles del motor FOC utilizando las MCU C2000
La implementación del control de par variable de un IPM-SynRM mediante un control vectorial es compleja. En función de la velocidad y del par de la carga, el algoritmo debe controlar el ángulo de desfase entre dos sistemas de coordenadas en rotación. Así, el rotor puede adelantar o retrasar eléctricamente el campo magnético del estator giratorio hasta ±90° mediante el control de cambio de fase, lo que permite un funcionamiento variable entre el RM y el PMSM. El complejo control de la densidad de flujo magnético y el par del rotor puede implementarse rápidamente utilizando el kit de desarrollo de software de control de motores de TI.
El software, basado en décadas de experiencia combinada, incluye un firmware que se ejecuta en los módulos de evaluación (EVM) de control de motores C2000 y en los diseños TI (TID). Dos bibliotecas de funciones clave para el control vectorial son InstaSPIN-FOC (controles de motor FOC sin codificadores) y DesignDRIVE (controles de motor FOC que requieren codificadores).
Características principales de InstaSPIN-FOC:
- Par o velocidad sin sensor FOC
- Observador del software de flujo, ángulo, velocidad y par (FAST) para las estimaciones del rotor
- Identificación de los parámetros del motor
- Ajuste automático del observador y del bucle de control de par
- Rendimiento superior para aplicaciones de baja velocidad y muy dinámicas
Una característica especial del bucle de control FOC es el algoritmo adaptativo FAST. Esto determina automáticamente la densidad de flujo, el ángulo de la corriente, la velocidad y el par a partir de las tensiones y corrientes de fase (Figura 5). Gracias a la identificación automática de los parámetros del motor, los diseñadores pueden poner en marcha rápidamente un nuevo motor y confiar en el sistema automático para el ajuste fino del bucle de control.
Figura 5: Una característica especial del bucle de control FOC es el algoritmo adaptativo FAST, que detecta automáticamente la densidad de flujo, el ángulo de corriente, la velocidad y el par. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
Características principales de DesignDRIVE:
- Velocidad o posición sensada FOC
- Retroalimentación de posición: Codificadores incrementales y absolutos
- Técnicas de detección de corriente: Derivación de lado bajo, muestreo de corriente en línea y demodulación con filtro sigma-delta
- Bucle de corriente rápido (FCL): Biblioteca de software optimizada que aprovecha al máximo los recursos de hardware para acelerar el muestreo, el procesamiento y la actuación del sistema para lograr el mayor ancho de banda de control para una frecuencia PWM determinada en aplicaciones de servocontrol
- Ejemplos de conectividad en tiempo real
Ejemplo de aplicación 1: Una MCU controla el inversor de tracción y el convertidor CC-CC
Los fabricantes de automóviles tienden a fusionar los tres componentes del sistema distribuido en un chasis y a minimizar el número de MCU para reducir el costo y la complejidad del sistema. Sin embargo, esto requiere una MCU con un alto rendimiento de control en tiempo real para gestionar los tres. Para solucionar esto, el diseño de referencia TIDM-02009 de TI demuestra el diseño combinado de un inversor de tracción EV/HEV y un convertidor CC-CC bidireccional controlado por una sola MCU en tiempo real F28388DPTPS (Figura 6).
Figura 6: Una sola tarjeta MCU C2000 de la tarjeta de control (abajo a la izquierda) controla el inversor de tracción (arriba a la izquierda) y el convertidor CC-CC (derecha). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
El inversor de tracción utiliza un convertidor de resolución a digital (RDC) basado en software para conducir el motor a una alta velocidad de hasta 20.000 revoluciones por minuto (rpm). Su etapa de potencia consiste en el módulo de potencia de seis vías CCS050M12CM2 de Wolfspeed, basado en FET de SiC, accionado por un controlador de puerta inteligente TI UCC5870QDWJRQ1. Un módulo PWM de última generación con compensación de pendiente integrada en el subsistema comparador (CMPSS) genera la forma de onda PCMC. La ruta de detección de tensión utiliza los amplificadores de extra-alto aislamiento AMC1311QDWVRQ1 de TI con entradas de 2 voltios, y la ruta de detección de corriente utiliza los amplificadores de precisión de extra-alto aislamiento AMC1302QDWVRQ1 de TI con entradas de ±50 milivoltios (mV).
El convertidor CC-CC utiliza la tecnología de control del modo de corriente de pico (PCMC) con topología de puente completo con desplazamiento de fase (PSFB) y rectificación sincrónica (SR). Su bidireccionalidad tiene la ventaja de que el convertidor precarga el condensador del bus de CC, eliminando la necesidad de relés limitadores de corriente y resistencias en serie. El módulo transceptor controlador TCAN4550RGYTQ1 integrado proporciona la comunicación resistente a las interferencias basada en CAN FD.
Ejemplo de aplicación 2: Convertidor CA-CC bidireccional eficiente de 6.6 kW
Para salidas de potencia relativamente altas, el PMP22650 representa un diseño de referencia basado en FET de GaN para un convertidor monofásico de CA-CC bidireccional que maneja 6.6 kilovatios (kW) de potencia. El cargador OBC puede cargar la batería de tracción con energía de la red y, a la inversa, precargar los condensadores de enlace de CC. El dispositivo convierte 240 voltios de CA a 28 amperios (A) en el lado primario a 350 voltios de CC a 19 A en el lado secundario.
Una única MCU F28388DPTPS controla el enlace bifásico tótem-polo de factor de potencia corregido (PFC) que funciona a una frecuencia de conmutación de 120 kilohercios (kHz), y una topología CLLLC de puente completo (C = condensador, L = inductor) seguida de rectificación sincrónica. El convertidor CLLLC utiliza tanto la frecuencia como la modulación de fase para la regulación de la salida, y funciona a una frecuencia variable de 200 kHz a 800 kHz.
En la Figura 7, la tarjeta controladora TMDSCNCD28388D (centro) controla el circuito intermedio PFC del lado primario (izquierda) y el convertidor CLLLC de puente completo del lado secundario con rectificación sincrónica (derecha). El esquema de este diseño se muestra en la figura 8.
Figura 7: La tarjeta controladora TMDSCNCD28388D (centro) controla el enlace PFC del lado primario (izquierda) y el convertidor CLLLC de puente completo del lado secundario con rectificación sincrónica (derecha). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
El uso de los FET de GaN de alta velocidad LMG3522R030-Q1, de reciente desarrollo, hace posible una eficiencia de hasta el 96% a plena potencia y una densidad de potencia en abierto de 3,8 kW/litro. El factor de potencia es de 0,999 con menos del 2% de distorsión armónica total (THD). Una alternativa al LMG3522 es el FET de GaN LMG3422R030RQZT, también calificado para automoción, con una tensión de conmutación de 600 voltios y un Rds(ON) de 30 miliohmios (mΩ). También integra el controlador de la puerta, la protección contra sobrecargas y el control de la temperatura.
Figura 8: Topología del circuito del OBC compuesto por el circuito intermedio PFC (izquierda) y los convertidores CLLLC de puente completo del lado secundario con rectificación sincrónica (derecha). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)
Una característica especial de este convertidor CA-CC es el HHC, que reduce significativamente la distorsión de cruce de cero emulando la tensión a través del condensador resonante. Los resultados de las pruebas también muestran una mejor respuesta transitoria, y el diseño de este lazo de control es también más sencillo que el control de tensión de un solo lazo.
El ejemplo de un inversor fotovoltaico muestra la eficacia con la que el HHC reduce la distorsión de los transistores de conmutación del puente en el paso por cero (figura 9, izquierda), eliminando así la emisión y las distorsiones en la red eléctrica. La elevada THD del 7.8% del tercer armónico en la tensión de red sinusoidal (figura 9, arriba a la derecha) se reduce al 0.9% utilizando el HHC (figura 9, abajo a la derecha).
Figura 9: El HHC puede reducir significativamente la distorsión de los transistores de conmutación del puente en el paso por cero (izquierda) y así eliminar la THD. La elevada THD del 7.8% del tercer armónico en la tensión de línea sinusoidal (arriba a la derecha) se reduce al 0.9% (abajo a la derecha) utilizando el HHC. (Fuente de la imagen: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)
Por cierto, el diseño del circuito de este convertidor CC-CC de 6.6 kW se basa en el diseño de referencia TIDA-010062 de TI, mientras que el C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK, mencionado anteriormente, facilita el diseño de estos convertidores de potencia.
Conclusión:
Las MCU en tiempo real de la serie C2000 de Texas Instruments pueden abordar casi cualquier tarea de control en la electrónica de potencia del automóvil. La aplicación de estos ecosistemas de MCU permite el diseño de sistemas de una manera eficiente en cuanto a tiempo y costos, agregando y controlando conjuntamente lo que normalmente sería una electrónica de sistema distribuida utilizando potentes MCU en tiempo real.
Como se ha demostrado, los controladores de potencia inteligentes de GaN y SiC son relativamente fáciles de implementar. La amplia funcionalidad de la biblioteca y los diseños de referencia totalmente documentados y precertificados facilitan la implementación de un control de motores FOC y un control HHC de convertidores más eficientes.
