A tecnologia recentemente desenvolvida é um Sistema Inteligente de Temporização de Motores (IMTS, na sigla em inglês), um bloco de circuito dedicado que pode ser integrado em microcontroladores (MCUs) para veículos elétricos (VEs) e veículos elétricos híbridos (VEHs) da próxima geração. Realiza operações de controlo orientadas para o campo (Nota 1), essenciais para o controlo de motores de VE, em apenas 0,8 microssegundos (µs), a taxa mais rápida do mundo (Nota 2). Isto representa menos de um décimo do tempo de processamento da operação do software de implementação num CPU a funcionar à mesma frequência de operação. Isto contribui para a realização de motores de VE de alta velocidade de próxima geração com excelente eficiência energética e sistemas inversores com alto desempenho de comutação para os alimentar.
Além disso, o circuito exclusivo também possibilita o apoio de segurança funcional exigido no setor da transmissão automóvel.
Com as exigências cada vez mais rigorosas em termos de eficiência de combustível nos últimos anos, os veículos elétricos (VEs), os veículos elétricos de oito cilindros (EV-8) e os veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs) passaram a representar uma fatia crescente do número total de veículos fabricados. Para ampliar a autonomia destes veículos motorizados, é necessário melhorar a eficiência energética do sistema de controlo do motor.
Para alcançar este objetivo, é importante não só melhorar os motores mecânicos em si, mas também melhorar as funções e o desempenho das unidades de controlo eletrónico (ECUs) que os controlam. As ECU capazes de suportar veículos elétricos (VEs), veículos híbridos (VEHs) e veículos híbridos plug-in (PHEVs) de última geração requerem funcionalidades avançadas e software de controlo complexo, resultando num aumento substancial da carga de processamento imposta aos microcontroladores (MCUs) utilizados nestas unidades de controlo. Ao mesmo tempo, os MCUs automóveis precisam de minimizar a quantidade de calor gerada para manter um elevado nível de fiabilidade em ambientes de alta temperatura. Por conseguinte, a frequência de funcionamento dos circuitos internos do MCU, incluindo o(s) núcleo(s) da CPU, deve ser mantida relativamente baixa, o que dificulta o aumento do desempenho.Em resposta a estas necessidades, a Renesas implementou o IMTS como um bloco de circuito dedicado para processos estáticos que exigem uma elevada capacidade de resposta, como a aquisição de dados de sensores, o cálculo de valores de controlo com base nesses dados e a saída desses valores. O IMTS é independente da CPU e capaz de operar de forma autónoma, reduzindo substancialmente a carga da CPU no microcontrolador de controlo do motor. A capacidade excedente da CPU pode então ser alocada a algoritmos avançados de controlo de motores, concebidos para aumentar a eficiência energética dos veículos elétricos (VEs), veículos híbridos (VEHs) e veículos híbridos plug-in (PHEVs) da próxima geração.
Principais características da nova tecnologia de circuito de controlo dedicado do motor:
1) Desenvolvimento de um bloco de circuito dedicado para o controlo estático de motores e tecnologia de circuitos que permite o funcionamento autónomo.
O controlo de motores requer uma série de etapas de processamento estático que envolvem operações de controlo orientadas para o campo. Durante cada período de controlo, os valores da corrente e do ângulo do motor são adquiridos pelo circuito temporizador interno do microcontrolador (MCU), e estes valores determinam os valores de controlo para o período seguinte. A saída PWM resultante (Nota 3) é então gerada com base nestes valores de controlo. Quando vários tipos de controlo do motor operam simultaneamente, a carga de processamento resultante pode consumir até aproximadamente 90% da capacidade da CPU (Nota 4) num MCU automóvel Renesas de 40 nanómetros (nm) e 320 MHz. O IMTS, recentemente desenvolvido, é um bloco de circuito dedicado para estas operações de controlo orientadas para o campo que requerem um elevado poder de processamento. Está também configurado em estreita integração com um circuito temporizador dedicado para o controlo de motores, resultando num sistema em que a sequência de processamento realizada durante cada período de controlo gerido pelo circuito temporizador, desde a obtenção do valor da corrente e do ângulo até à saída do sinal PWM, é executada de forma autónoma, independentemente da CPU.
Isto significa que toda a carga da CPU anteriormente necessária para o processamento acima é eliminada, e a capacidade da CPU libertada desta forma pode ser alocada a software que contenha algoritmos de controlo avançados, concebidos para aumentar a eficiência energética.
Ao fornecer um circuito dedicado para o processamento de operações de controlo orientadas a campos, o IMTS reduz o tempo de processamento para 0,8 μs, o que representa menos de 1/10 do tempo de implementação em software baseado em CPU. O desempenho de processamento desta nova tecnologia é suficiente para satisfazer as exigências de controlo dos inversores de comutação de alta velocidade (exemplo de desempenho: frequência de comutação de 100 kHz, período de controlo de 10 μs) utilizando dispositivos de potência fabricados com materiais inovadores, como o carboneto de silício (SiC), que representam uma tecnologia promissora para a próxima geração de controlo de motores de veículos elétricos.
2) Desenvolvimento de tecnologia de circuitos que proporcione a segurança funcional necessária para o controlo de energia.
O sistema de controlo da transmissão deve garantir a segurança funcional, de modo a que, se um componente falhar, o sistema detete a falha e faça automaticamente a transição para um estado seguro. Isto é normalmente conseguido utilizando dois microcontroladores (MCUs) para fornecer redundância ao sistema ou utilizando um único MCU com circuitos internos redundantes, o que pode resultar num custo relativamente elevado.
A tecnologia desenvolvida utiliza um MCU com dois CPUs numa configuração dual-core lockstep que monitoriza regularmente o funcionamento interno do circuito IMTS. Esta abordagem mantém os custos baixos, ao mesmo tempo que permite um controlo de alta velocidade e segurança funcional. A segurança funcional impõe uma carga à CPU, mas, em casos de utilização práticos, estima-se que represente apenas 2,4% (Nota 5) da capacidade total de processamento da CPU.
3) Desenvolvimento de tecnologia de circuitos para correcção flexível de erros em sinais de sensores externos.
Para fabricar um microcontrolador (MCU) de alta precisão com um processamento operacional extremamente preciso, é essencial obter valores de sinal de sensores com alta precisão. No entanto, os erros provenientes de diversas fontes, como o posicionamento dos sensores, são inevitáveis. O IMTS desenvolvido possui uma configuração que permite a correcção de erros em tempo real utilizando software desenvolvido pelo utilizador. Além disso, o IMTS realiza este processamento de forma autónoma, pelo que o processo de correção não sobrecarrega a CPU. Os valores de sinal dos sensores corrigidos são utilizados para o controlo do motor, resultando num processamento operacional mais preciso e numa maior eficiência energética durante o acionamento do motor.
A Renesas está a testar um protótipo de microcontrolador (MCU) de 40 nm com memória flash integrada que incorpora novas tecnologias. A empresa está a utilizar um sistema de acionamento de motor real para confirmar o seu funcionamento num sistema prático. A Renesas pretende contribuir para o desenvolvimento de sistemas de ECU mais eficientes em termos energéticos para veículos elétricos (EVs), veículos híbridos (VEHs) e veículos híbridos plug-in (PHEVs) através desta tecnologia dedicada de circuitos de controlo de motores.
Nota 1: As operações de controlo orientadas para o campo são um tipo básico de processamento amplamente utilizado no controlo de motores, no qual cálculos complexos, incluindo funções trigonométricas, são utilizados para a conversão de coordenadas de forma a gerar sinais CC que se aproximam mais dos valores de controlo designados.
Nota 2: Dados de 7 de fevereiro de 2017, com base em inquérito da Renesas.
Nota 3: PWM significa modulação por largura de impulso, o tipo de sinal de impulso utilizado para acionar um dispositivo de potência externo utilizando um MCU.
Nota 4: Espera-se que os sistemas da próxima geração exijam um período de controlo do temporizador do motor de 12,5 μs. O valor calculado para a carga da CPU pressupõe que duas operações de controlo do motor (por exemplo, para os motores que acionam as rodas dianteiras e traseiras) ocorrem simultaneamente durante cada período de controlo.
Nota 5: O valor calculado para a carga da CPU pressupõe um caso de utilização em que as falhas são detetadas durante uma única rotação, quando o motor está a trabalhar a uma velocidade de 100.000 rpm.
