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Circuito de control de motores para MCU de automoción que impulsan la eficiencia de VE de próxima generación

Miércoles, 08 de Febrero de 2017 17:22 Carlos Martinez
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Renesas Electronics ha anunciado el desarrollo de una tecnología de circuitos dedicada al control de motores que consigue que los vehículos ecológicos satisfagan los requisitos de emisiones de CO2 más estrictos.
ren0676 hev ev old w La tecnología recientemente desarrollada es un sistema IMTS (Intelligent Motor Timer System), un bloque de circuitos dedicado que se puede integrar en microcontroladores (MCU) para vehículos eléctricos de próxima generación (VEs) y vehículos eléctricos híbridos (VEHs). Realiza operaciones de control orientadas al campo (Nota 1), que son esenciales para el control del motor del VE, en apenas 0,8 microsegundos (μs), la tasa más rápida del mundo (Nota 2), que es menor que 1/10 del tiempo de procesamiento de la operación del software de implementación en una CPU funcionando a la misma frecuencia operativa. Esto contribuye a la realización de la próxima generación de motores VE de alta velocidad con excelente eficiencia energética y sistemas inversores con alta velocidad de rendimiento de conmutación, para impulsarlos.
 
Además, el circuito único también permite el soporte de seguridad funcional requerido para el campo del tren de transmisión para automóviles.
 
mcu automocion hev ev new d 2 wCon los requisitos de eficiencia de combustible cada vez más estrictos en los últimos años, VEs, VEHs y vehículos eléctricos híbridos plug-in (PHEV) han llegado a representar una parte creciente del número total de vehículos fabricados. Para aumentar la gama de tales vehículos motorizados, es necesario aumentar la eficiencia energética del control del motor.
 
Para ello, es importante no sólo realizar mejoras mecánicas a los propios motores, sino también mejorar las funciones y el rendimiento de las unidades de control electrónico (ECU) que controlan los motores. Las ECUs capaces de soportar VEs, VEHs y PHEV de próxima generación requieren funcionalidad avanzada y software de control complejo, lo que da lugar a un aumento sustancial de la carga de procesamiento de operaciones colocada en los MCUs utilizados en estas centralitas. Al mismo tiempo, los MCUs para automoción requieren restringir la cantidad de calor que generan para mantener un alto nivel de fiabilidad en entornos de alta temperatura. Por lo tanto, es necesario mantener la frecuencia de funcionamiento de los circuitos internos de los MCU, incluyendo el núcleo o núcleos de la CPU, relativamente bajos, haciendo que sea difícil aumentar el rendimiento.
 
En respuesta a estas necesidades, Renesas implementó el IMTS como un bloque de circuitos dedicado para procesos estáticos que requieren un alto nivel de capacidad de respuesta como la adquisición de datos de sensores, el cálculo de valores de control basados ​​en ella, y la salida de estos valores. El IMTS es independiente de la CPU y capaz de funcionar de forma autónoma, reduciendo así sustancialmente la carga de CPU del MCU de control de motor. La capacidad excedente de la CPU se puede asignar a algoritmos avanzados de control de motores diseñados para aumentar la eficiencia energética de los VEs, VEHs y PHEVs de próxima generación.
 
 
Características clave de la tecnología de circuito de control de motores dedicada, recientemente desarrollada:
 
1) Desarrollo de un bloque de circuitos dedicado para el control del motor estático y la tecnología de circuitos que permite el funcionamiento autónomo.
El control del motor requiere una sucesión de procesamiento estático que implica operaciones de control orientadas al campo, en las que el valor de la corriente del motor y el valor del ángulo, se adquieren durante cada periodo de control gestionado por el circuito temporizador interno del MCU y se determinan los valores de control para el siguiente período de control; Y la salida PWM (Nota 3) generada sobre la base de los valores de control. Cuando varios tipos de control de motor están operando al mismo tiempo, la carga de procesamiento resultante puede consumir hasta el equivalente de, aproximadamente, el 90% de la capacidad de la CPU (Nota 4) en un MCU para automoción de Renesas de 40 nanómetros (nm) a 320 MHz. El IMTS recién desarrollado es un bloque de circuito dedicado para estas operaciones de control orientadas al campo, las cuales exigen una alta carga de procesamiento. También está configurado en un enlace estrecho con un circuito temporizador de control de motor dedicado, que da como resultado un sistema, en el que la sucesión de procesamiento realizada durante cada periodo de control gestionado por el circuito temporizador, desde la obtención del valor de corriente y el valor angular, hasta la salida de señal PWM, se lleva a cabo de forma autónoma, independiente de la CPU.
Esto significa que se elimina toda la carga de la CPU previamente requerida para el procesamiento anterior y la capacidad de la CPU liberada de esta manera, se puede asignar al software que contiene algoritmos de control avanzado diseñados para aumentar la eficiencia energética.

Proporcionando un circuito dedicado para el procesamiento de la operación de control orientado al campo, el IMTS reduce el tiempo de procesamiento de la operación a 0,8 μs, que es menor que 1/10 de la implementación del software en la CPU. El rendimiento de procesamiento con la nueva tecnología es suficiente para satisfacer las demandas de control de inversor con conmutación de alta velocidad (ejemplo de rendimiento: frecuencia de conmutación de 100 kilohertz (kHz), período de control de 10 μs) utilizando dispositivos de potencia fabricados a partir de nuevos materiales tales como Carburo de silicio (SiC), que están en el horizonte para la próxima generación de control de motor VE.
 
 
2) Desarrollo de la tecnología de circuitos proporcionando seguridad funcional requerida para el control de la potencia.
El control de la transmisión debe asegurar la seguridad funcional de modo que si un componente falla, el sistema detectará esto y pasará automáticamente a un estado seguro. Esto se ha logrado generalmente utilizando dos MCUs para proporcionar redundancia del sistema, o utilizando un MCU con circuitos internos redundantes, lo que podría conducir relativamente a un aumento de costes.
La tecnología desarrollada utiliza un MCU con dos CPUs en una configuración dual-core lockstep que monitoriza regularmente el funcionamiento interno del circuito IMTS. Este enfoque mantiene el coste reducido al mismo tiempo que se logra un control de alta velocidad y una seguridad funcional. La seguridad funcional coloca una carga en la CPU, pero en los casos de uso práctico se calcula que sólo supone un 2,4 por ciento (Nota 5) de la capacidad de procesamiento total de la CPU.
 
 
3) Desarrollo de la tecnología de circuitos para la corrección flexible de errores, de las señales de los sensores externos.
Para fabricar un MCU de alta precisión con un procesamiento de operación altamente preciso, es esencial adquirir valores de señal de sensor altamente precisos. Sin embargo, es imposible evitar errores de una variedad de fuentes, tales como errores causados ​​por la posición de montaje de los sensores. El IMTS desarrollado tiene una configuración que hace posible corregir errores en tiempo real utilizando el software desarrollado por el usuario. Además, el IMTS realiza este procesamiento de forma autónoma, por lo que el procesamiento de corrección no impone carga en la CPU. Los valores de la señal del sensor corregido se utilizan para operaciones de control del motor, lo que resulta en un procesamiento de la operación más preciso y una mejor eficiencia energética cuando se acciona el motor.
 
Renesas está probando un prototipo de MCU de 40nm con memoria flash incorporada que incorpora las nuevas tecnologías. Utiliza un sistema de accionamiento de motor real para confirmar el funcionamiento en un sistema real. Renesas pretende contribuir a la realización de sistemas de ECU más eficiente en energía para VEs,VEHs y PHEVs mediante el uso de esta tecnología dedicada de circuitos de control de motores.
 

Nota 1: Las operaciones de control orientadas al campo son un tipo básico de procesamiento ampliamente utilizado en el control de motores, en el que se utilizan cálculos complejos, incluidas funciones trigonométricas, para la conversión de coordenadas para generar señales de CC para aproximarse más a los valores de control designados.
 
Nota 2: A partir del 7 de febrero de 2017, según la investigación de Renesas.
 
Nota 3: PWM significa la modulación de ancho de pulso, el tipo de señales de pulso que se utilizan para impulsar un dispositivo de potencia externo utilizando un MCU.
 
Nota 4: Se prevé que los sistemas de próxima generación requerirán un período de control del temporizador del motor de 12,5 μs. El valor calculado para la carga de la CPU supone que dos operaciones de control del motor (por ejemplo, para los motores que accionan las ruedas delantera y trasera) tienen lugar simultáneamente durante cada período de control.
 
Nota 5: El valor calculado para la carga de la CPU asume un caso de uso en el que se detectan fallas dentro de la duración de una sola rotación cuando el motor está funcionando a una velocidad de 100.000 rpm.

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