Firma Renesas Electronics, dostawca zaawansowanych rozwiązań półprzewodnikowych, ogłosiła opracowanie technologii sprzętowej dedykowanej dla sterowników napędu. Pozwoli ona spełnić wysokie wymagania dotyczące poziomu emisji dwutlenku węgla stawiane pojazdom.

Nowa opracowana technologia nosi nazwę Intelligent Motor Timer System (IMTS) – jest to dedykowany układ, który można zintegrować w mikrokontrolerach przeznaczonych dla pojazdów elektrycznych nowej generacji, jak również dl pojazdów z napędem hybrydowym. Układ realizuje sterowanie metodą FOC (field-oriented control), która jest kluczowa dla sterowania napędem pojazdów elektrycznych. Potrzebuje na to jedynie 0,8 mikrosekundy, co jest najszybszym wynikiem na świecie (własne badania Renesas z 7. lutego 2017). Czas ten jest ponadto 10 razy krótszy, niż czas wykonania implementacji programowej pracującej na procesorze taktowanym tym samym zegarem. Technologia ta pozwoli na stworzenie nowej generacji silników elektrycznych wysokiej szybkości i dużej sprawności, jak też systemów inwerterów o wysokiej szybkości przełączania, które mogą je wysterować.

Ponadto przedstawiony układ pozwala zapewnić bezpieczeństwo funkcjonalne wymagane w systemach napędowych pojazdów.

Wraz ze wzrostem wymagań stawianych silnikom spalinowym, w ostatnich latach rośnie udział w rynku pojazdów z napędem elektrycznym, hybrydowym oraz hybrydowym z możliwością ładowania. Aby zwiększyć zasięg takich pojazdów, konieczne jest zwiększenie sprawności układu sterującego napędem.

By to uzyskać, nie wystarczy tylko udoskonalić mechaniczną strukturę silników – należy też poprawić działanie i wydajność układów elektronicznych sterujących napędem. Układy elektroniczne zdolne obsłużyć pojazdy elektryczne nowej generacji potrzebują zaawansowanej funkcjonalności i złożonego oprogramowania sterującego. To oznacza duży wzrost mocy obliczeniowej wymaganej od mikrokontrolera sterującego takim układem. Jednocześnie mikrokontrolery pracujące w pojazdach muszą ograniczyć poziom wydzielanego ciepła, aby móc pracować także w środowisku o wysokiej temperaturze. Zachodzi zatem konieczność zmniejszenia częstotliwości taktowania wewnętrznych układów mikrokontrolera, w tym rdzenia lub rdzeni – wówczas jednak trudno uzyskać wysoką wydajność obliczeniową.

W odpowiedzi na te potrzeby Renesas zaimplementował IMTS jako dedukowany blok dla statycznych procesów wymagających szybkiej reakcji – takich, jak akwizycja danych z czujników, wyliczenia na ich podstawie wartości sterujących i przesłanie tych wartości na wyjście. Odbywa się  to równocześnie z wieloma innymi zadaniami sterowania realizowanymi przez mikrokontroler. Układ IMTS jest niezależny od rdzenia i może pracować w sposób autonomiczny, dzięki czemu znacznie zmniejsza obciążenie procesora w mikrokontrolerze sterującym napędem. Odzyskana w ten sposób moc obliczeniowa CPU może zostać zatem przeznaczona do realizacji zaawansowanych algorytmów sterowania napędem, tym samym zwiększając sprawność silników elektrycznych i hybrydowych nowej generacji.

Najważniejsze cechy nowego dedykowanego układu sterowania napędem:

1. Dedykowany układ sprzętowy do statycznej obsługi sterowania silnika zapewnia autonomiczną pracę.

Sterowanie napędem wymaga następujących po sobie statycznych operacji przetwarzania – w tym operacji FOC, podczas których wartość prądu silnika i kąt są wyznaczane w każdym cyklu kontrolowanym przez wewnętrzny mikrokontrolera. Następnie są wyznaczane wartości sterujące dla kolejnego cyklu pracy. W oparciu o te wartości generowany jest sygnał PWM. Jeśli równocześnie wykorzystuje się kilka technik kontroli napędu, wynikające z tego obciążenie procesora może wynieść około 90% jego możliwości obliczeniowych (dla długości cyklu 12,5 µs). Są to dane dla układu Renesas wykonanego w procesie technologicznym 40 nm i taktowanego zegarem 320 MHz. Nowy układ IMTS jest osobnym blokiem dedykowanym do tego rodzaju operacji, które powodują duże obciążenie procesora. Jest również bezpośrednio połączony z dedykowanym czasomierzem sterującym silnikiem. Powstaje w ten sposób system, w którym kolejne cykle przetwarzania są zarządzane przez obwód czasomierza. Cały cykl od odczytu wartości prądu i kąta do generacji sygnału PWM na wyjściu odbywa się w autonomicznym układzie niezależnym od procesora.

To oznacza, że cała moc procesora do tej pory zużywana na obsługę powyższego cyklu jest zwalniana, co pozwala na zastosowanie złożonych algorytmów sterowania mających na celu zwiększenie sprawności. Dzięki stosowaniu dedykowanego obwodu do przetwarzania FOC czas jednej operacji został skrócony do 0,8 µs, co stanowi mniej, niż 1/10 czasu potrzebnego na wykonanie implementacji na procesorze. Uzyskana wydajność obliczeniowa nowej technologii pozwala na realizację sterowania za pomocą inwerterów wysokiej szybkości – na przykład częstotliwości przełączania 100 kHz przy długości cyklu sterowania 10 µs. Daje to możliwość wykorzystania układów mocy wykonanych z nowych materiałów, takich jak węglik krzemu (SiC), które są proponowane dla układów sterowania napędem nowej generacji.

1. Nowy układ zapewnia bezpieczeństwo funkcjonalne wymagane w kontroli systemu napędowego pojazdów.

Kontrola systemu napędowego pojazdu musi zapewnić bezpieczeństwo funkcjonalne – jeśli jeden z komponentów ulegnie awarii, system wykryje to i automatycznie przejdzie do bezpiecznego stanu. Zazwyczaj jest to uzyskiwane poprzez wykorzystanie dwóch mikrokontrolerów, które zapewniają nadmiarowość systemu, lub też stosowanie mikrokontrolera z nadmiarowymi układami wewnątrz – oba te rozwiązania zwiększają koszt.

Nowa technologia wykorzystuje mikrokontroler z dwoma procesorami w równoległej konfiguracji dwurdzeniowej (lockstep), regularnie monitorując zachowanie układu IMTS. Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć koszty, jednocześnie zapewniając dużą szybkość sterowania i bezpieczeństwo funkcjonalne. To powoduje dodatkowe obciążenie CPU, jednak w praktycznych sytuacjach obsługa bezpieczeństwa funkcjonalnego zużywa tylko około 2,4% całkowitej mocy obliczeniowej procesora (wykrywanie awarii w jednym cyklu przy obrotach 100.000 rpm).

1. Elastyczne rozwiązanie sprzętowe zapewniające korekcję błędów sygnałów z czujników zewnętrznych.

Aby zrealizować precyzyjne przetwarzanie i wykonywanie operacji w mikrokontrolerze, należy zapewnić dużą dokładność sygnałów uzyskiwanych z czujników. Nie da się jednak wyeliminować wszystkich błędów wynikających z wielu przyczyn, takich jak niedokładna pozycja montażu czujników. Nowa technologia IMTS ma funkcję konfiguracji, która umożliwia korekcję błędów w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem oprogramowania stworzonego przez użytkownika. Co więcej, IMTS realizuje przetwarzanie w sposób autonomiczny, zatem korekcja nie powoduje obciążenia procesora. Wartości z czujników po korekcji są wykorzystywane do sterowania napędem, zapewniając bardziej dokładne przetwarzanie i większą sprawność pracującego silnika.

Renesas obecnie testuje prototypowy mikrokontroler wykonany w procesie technologicznym 40 nm z wbudowaną pamięcią Flash, w którym została zintegrowana nowa technologia. Do potwierdzenia poprawności działania tego rozwiązania został wykorzystany rzeczywisty system sterowania napędem. Renesas planuje rozwój elektronicznych systemów sterowania napędem o wyższej sprawności dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych w oparciu o nową technologię.

Renesas przedstawił referat dotyczący nowej technologii podczas konferencji Solid-State Circuits 2017 w San Francisco 2 dniach 5-6 lutego tego roku.