Was Mikrocontroller in E-Fahrzeug-Antrieben leisten müssen

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Kompromiss zwischen Rechengeschwindigkeit und Codegröße

verfügbar Abhängig von den Anforderungen des Programmcodes kann der Cortex-R4F-Core dank des Thumb-2-Befehlssatzes abwechselnd 16- oder 32-Bit-Befehle verarbeiten. So wird ein Kompromiss zwischen Rechengeschwindigkeit und Codegröße erzielt. Die TMS570-Mikrocontroller sind derzeit mit integriertem Flash-Programmspeicher von 1 bis 2 MByte und mit einem Datenspeicher von 128 bis 160 KByte.

Frei programmierbarer Timer-Coprozessor

Eine wichtige Komponente der TMS570-Mikrocontroller zur Ansteuerung von elektrischen Motoren ist der High-End-Timer (NHET). Dabei handelt es sich um einen frei programmierbaren Timer-Coprozessor. Ein Programm steuert dabei bis zu 32 frei als Ein- oder Ausgang konfigurierbare Pins an. Dieses Programm wird während der System-Initialisierung in das RAM des NHET kopiert. Während des Betriebes kann die CPU neue Werte auf Datenfelder im NHET-RAM schreiben, um z.B. Pulsweiten-Modulation durchzuführen oder Capture-Werte auszulesen. Zum Verringern der CPU-Last können diese Schreib- oder Lese-Zugriffe auch per DMA oder von der HTU (High End Timer Transfer Unit), einem NHET-spezifischem DMA-Controller, durchgeführt werden.

Dank seiner Flexibilität ist der NHET vielseitig einsetzbar

Zum Ansteuern eines dreiphasigen Elektromotors müssen Timer-Module typischerweise sechs pulsweitenmodulierte Signale erzeugen, sodass mit Hilfe des erzeugten Pulsmusters an den Leistungsschaltern des Umrichters ein dreiphasiges Spannungssystem bestimmten Betrags und Phasenwinkels sowie vorgegebener Frequenz erzeugt wird. Generell ist es möglich, mit einem NHET-Modul zwei Dreiphasenmotoren anzusteuern. Es sind aber auch TMS570-Derivate mit zwei NHET-Modulen geplant. Aufgrund seiner hohen Flexibilität ist der NHET für viele unterschiedliche Aufgaben einsetzbar, etwa zum Ansteuern unterschiedlicher Inverterschaltungen. Zudem können mit dem NHET auch digitale Sensorsignale von Hall-Sensoren oder Inkrementalgebern eingelesen und ausgewertet werden.

A/D-Wandler speichern bis zu 64 Wandlerergebnisse in eigenem RAM

Zur Wandlung von analogen Sensorsignalen verfügen die derzeitigen TMS570LS über zwei Multi-input-buffered Analog-Digital-Wandler (MibADC) mit einer Auflösung von 12 Bit und 24 Eingangskanälen. Um die CPU-Last zu verringern, haben beide MibADC-Module einen eigenen Multi-buffered RAM in dem bis zu 64 Wandlungsergebnisse pro Modul abgespeichert und mittels CPU oder DMA ausgelesen werden können. Das NHET-Modul verfügt über umfangreiche Konfigurations-Möglichkeiten, um A/D-Wandlungen anzustoßen.

Wichtige Eingangssignale für den ADC sind in der Antriebsregelung die Phasenströme des Motors. Weitere Eingänge des ADCs sind typischerweise die Zwischenkreisspannungen am Umrichter, die Temperatur des Motors und gegebenenfalls die der Leistungsschalter. Zur Bestimmung der Rotorposition des Motors werden Sensoren mit analogen Sinus/Kosinus-Ausgängen oder mit digitalen Ausgängen eingesetzt.

Kommunikation mehrerer Antriebsregelungen

Da sich je nach Typ des Elektrofahrzeugs mehrere Elektromotoren im Fahrzeug befinden können, müssen auch mehrere Antriebsregelungen miteinander und/oder mit einer übergeordneten Regelung kommunizieren. Damit spielen die Kommunikationsschnittstellen eine große Rolle. Für eine abgestimmte Regelung und auch zur Anbindung an das übergeordnete Fahrzeug-Kommunikationssystems können wahlweise die integrierten FlexRay- oder CAN-Module des TMS570 verwendet werden. Zudem können Sensoren und ASICs via SPI- oder LIN/SCI-Modul mit dem Kontroller verbunden werden.

Fehler schnell erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten

Das Rotor-Magnetfeld eines PMSM-Motors erregt die Statorspulen, solange sich der Motor dreht – und zwar auch im Falle eines Fehlers der Regelung, bei Kurzschlüssen im Umrichter oder in den Statorwicklungen des Motors. In solchen Fällen muss der Fehler schnell erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um Schaden durch die Kurzschlussströme sowie vor allem ein gefährliches Bremsmoment des PMSM-Motors zu vermeiden.

Die Sicherheitsanforderungen hängen von der Fahrzeugarchitektur ab

Die Architektur des Elektrofahrzeugs ist entscheidend für die Sicherheitsbetrachtungen, die bei Mild-, Parallel- oder Seriell-Hybrids sehr unterschiedlich ausfällt. So werden z.B. bei einem Mild-Hybrid geringere Sicherheitsanforderungen an den elektrischen Antrieb gestellt als bei rein elektrischem Fahren. Es ist offenkundig, dass Bremsvorgänge sicherheitskritisch sind. Deshalb muss die Sicherheitsbetrachtung den Einsatz des Elektromotors im generatorischen Betrieb als Nutz- oder Rekuperationsbremse mit einschließen.

Sicherheit muss von allen Komponenten sichergestellt werden

Maßgeblich für die Entwicklung von sicherheitskritischen elektronischen Systemen einschließlich zugehöriger Entwicklungsprozesse und Qualitätsmaßnahmen ist die Norm IEC61508. Die Norm ISO26262 ist noch im Entwurfsstadium. Sie ist von der IEC61508 abgeleitet und wurde an sicherheitsrelevante elektrische/elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen angepasst.

Ein sicherer Betrieb muss durch alle Komponenten des Elektroantriebs gewährleistet sein.

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