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智芯半导体推出热管理域控解决方案

2/1/2024    来源:    作者:华体平台  浏览次数:317

智芯SEMI


当前新能源汽车行业发展全球开花,与传统燃油车相比其对热管理系统有着更高的要求,在整个系统中对于电池、电机、车内采暖的热量循环主要是由三个水泵(无刷直流电机)完成,为了达到更高的热循环效率,需要控制器同时对三个水泵进行控制。日前,智芯推出基于Z20K148M车规微控制器和无刷电机预驱芯片Z20A8300的热管理域控整体解决方案,为客户提供硬件设计、基础软件以及电机控制算法,加速客户的开发速度。

主要芯片


针对控制水泵的需求,智芯推出的热管理域控整体解决方案中包括一片Z20K148M车规级MCU和三片BLDC预驱芯片Z20A8300。


Z20K148M为智芯自主研发的基于Cortex-M4F内核的微控制器,该产品通过AEC-Q100测试,并已经取得ISO26262 ASIL-B产品认证,主频高达160MHz,带有FPU/DSP,能够高效率处理复杂的浮点运算,内置2MB P-FLASH与128KB Data FLASH, SRAM高达256KB, 支持2x8ch的MCPWM电机控制和最高达2x20ch的ADC采样,支持TDG外设灵活触发ADC采样点,同时还具有AES128及TRNG硬件模块,支持信息安全。


Z20A8300是智芯自主研发的汽车级电机驱动芯片,该产品通过AEC-Q100测试,专门针对汽车中、大功率电机应用开发的三相预驱,主要面向12V/24V的各种汽车电机应用,如汽车水泵,油泵,风扇,转向及刹车系统等。可在5.5V至50V的电源电压范围内驱动6个外部N-MOSFET,同时内部集成三个可编程运放。芯片内部集成两个电荷泵,可支持100% PWM占空比输出以及高边N-MOS防反接保护。另外,该器件集成了各种监测及故障诊断机制,可提供芯片级、PCB级以及系统级的安全诊断机制,同时提供SPI接口以配置芯片参数及反馈详细的故障诊断信息,使该芯片可以很好地支持ASIL-B的系统设计。

方案特点


热管理域控评估板硬件如图1所示。

图1 热管理域控评估板


Z20K148M+3* Z20A8300方案是通过FOC实现对三台永磁同步电机(PMSM)的控制。通过两电阻采样算法进行电流采样和重构,对无感位置观测器估算,得出转子速度和角度,分别对速度环和电流环进行调节和控制。


从硬件上,可以省去多个MCU外围电路的元件数量,以及通信电路,降低功耗,提高产品可靠度,节省PCB面积。从软件上,可以节省两套软件设计以及多个通信节点的失效风险,节省测试和维护成本,提高了软件可靠性。该方案可以有效节省设计成本,测试成本和材料成本,节省空间和安装维护方便,提高产品可靠性。


如图2所示,本方案采用双电阻采样,通过ADC0、ADC1以及Z20A8300的OPA实现对母线电压和相电流的采样,每个Z20A8300预驱芯片驱动3个半桥,Z20K148M通过两个专用的电机MCPWM模块和一个TIM模块输出互补PWM到预驱芯片。方案通过MCPWM initial trig + TMU + TDG trig + AD loop + DMA + INT的方式进行电流采样,可精准把控ADC采样时刻点,并节省等待时间。

图2 热管理域控评估板框图


为了确保最大算力,主频选择配置成160M,电流环相关代码放在SRAM中运行。按照18K的载波频率,运算平均负荷约在50%左右。


另外,该方案还有以下功能和特点:

- 三电机独立控制,相互之前无干扰运行

- 多种无感观测器算法选择(滑模观测器,磁链观测器,龙伯格观测器)

- 载波频率18KHz(最高可支持20KHz)

- 过流过压欠压保护

- 堵转保护(低速堵转)

- PWM 占空比动态跟随母线电压波动调整输出

- 紧急刹车

- 基于单精度浮点运算

电机控制算法框图


如算法框图所示,引入观测器EST(滑模观测器,磁链观测器,龙伯格观测器)得到角度和转速,三相电流Ia、Ib、Ic经过Clark变换得到Iα、Iβ;经过Park变换得到Iq、Id;将Iq和Id分别与他们的设定值Iq_ref,、Id_ref计算误差值;然后分别将q轴电流误差值代入q轴电流PID环计算得到Vq,将d轴电流误差值代入d轴电流PID环计算得到Vd;然后对Vq、Vd进行反Park变换得到Vα、Vβ;然后解算出占空比,进行反Clark计算,经过SVPWM控制三相逆变器电路得到Va、Vb、Vc,最后输入到电机三相上。

市场应用情况


目前已经多个客户采用该解决方案进行产品开发,用于多款车型。预计将于2024年Q2陆续量产上车。

(图片来源于网络)