C2000リアルタイムMCUを使用してコスト効率とエネルギー効率の高いEVモータ電力制御設計を開発

現代の電気自動車（EV）やハイブリッド電気自動車（HEV）のパワーエレクトロニクスに対する技術的要件は急速に高まっており、ほとんど乗り越えられない課題を設計者に突きつけるようになっています。パワートレインやエネルギー変換システムにおけるエネルギー効率と電力密度の向上に伴い、高いスイッチング周波数で動作する効率的な窒化ガリウム（GaN）技術やシリコンカーバイド（SiC）技術を組み込んだ、より複雑な制御エレクトロニクスが必要とされています。コネクテッド車両は、機能的安全性に加えてITレベルのセキュリティ要件でも運用され、ファームウェアオーバーザエア（FOTA）更新などのシステム介入が適用されます。

厳しい開発予算と競争力のある最終製品価格の要件に直面するパワーエレクトロニクス設計者は、最終的に、より統合された制御ソリューションの展開など、システム設計を簡素化する方法を見つけることを余儀なくされます。

この記事では、これらの課題に対応するため、EVやHEVの駆動制御やパワーコンバータに適したTexas InstrumentsのC2000シリーズ 車載用対応リアルタイムマイクロコントローラ（MCU）の利点を考察します。この記事では、F28003xコントローラファミリの機能とインターフェースの概要について簡単に説明してから、トラクションインバータにおけるフィールド指向制御（FOC）と、オンボード充電器におけるヒステリシス電流制御の実装に対する洞察を提供します。

制御されたドライブとパワーコンバータの効率化

現在のEVやHEVにおける優れた性能は、主にドライブやパワーコンバータの電子制御に起因します。これらのサブシステムに使用されるリアルタイムMCUには、複雑な制御アルゴリズムと正確なモータモデルが採用され、わずか数マイクロ秒（μs）の制御遅延で極めて迅速に応答します。リアルタイム閉ループ制御が遅すぎて、定義された時間窓を逃すと、制御ループの安定性、精度、効率が低下します。

標準的なライブラリから比例・積分・微分（PID）コントローラを使用できるようにするため、ベクトルコントローラは3相ステータ電流システムを2次元の電流空間ベクトルに変換して、磁束密度とロータートルクを制御します。高速電流ループ（図1の青い矢印）は、1μs未満の制御遅延を実現する必要があります。

図1：リアルタイムMCUは安定した制御を行うために、ループパス（青い矢印）ごとにすべての算術演算を1μs未満で完了させる必要があります。（画像提供：Texas Instruments）

モータドライブは、FOCなどの高速ベクトル制御と高効率の内部永久磁石同期リラクタンスモータ（IPM-SynRM）を組み合わせることで、大トルクおよび、従来の直流モータ（永久磁石同期モータ：PMSM）と比較して最大96％の効率を実現します。設計者は、C2000シリーズのリアルタイムMCUとC2000WARE-MOTORCONTROL-SDKソフトウェアを使用することで、IPM-SynRMのローレンツ力とリラクタンス力の間の可変トルク制御を時間効率とコスト効率良く実装できます。また、FOCによって磁石や位置センサなしでもSynRMを高精度で制御できるため、システムのコストや重量を節約し、過負荷に対するモータの耐性を高めることができます。

EVのオンボード充電器（OBC）や太陽光発電インバータとして動作するAC/DCパワーコンバータでは、パワーグリッドを高調波歪みから守ることが重要になります。クリーンでないこのゼロ電圧スイッチング（ZVS）は、電流のハイブリッドヒステリシス制御（HHC）で相殺することが可能です。また、開発者は、C2000WARE-DIGITALPOWER-SDKソフトウェアリポジトリの高性能な制御アルゴリズムを適用することにより、C2000 MCUを使用して回路設計を加速することもできます。

C2000 MCUを使用したEVシステム設計の簡素化

Texas Instrumentsは、電源システム設計を簡素化するために、複雑な電力制御を迅速に実装するC2000シリーズのリアルタイムMCUを提供しています。これにより、ハードウェアとソフトウェアの包括的な開発環境が実現し、多様で柔軟な制御設計が容易になります。1つのC2000 MCUでオンボード充電器、DC/DCコンバータ、トラクションインバータを同時に処理するように設計されているため、車両設計者は、より小型で低価格のEVパワートレインを半分のコストで実装できるようになります。また、HVAC、ドライバ支援システム、燃料電池制御などのアプリケーションも考えられます。

システム設計者は、1つの強力なMCUを使用することで、車両全体に分散した複数のパワーエレクトロニクスやシステムコンポーネントを制御できます。TIのウェブサイト、特にResource ExplorerとC2000 Academyでは、データシート、アプリケーションノート、評価ボード、リファレンス設計、トレーニングビデオ、開発者フォーラムなど、豊富なサポートが提供されています。

TIは、F28003xファミリのリアルタイムコントローラを、性能、集積度、コストの面でEV専用に最適化しました。240 MIPSの処理能力と統合されたリアルタイム制御ペリフェラルにより、回路設計者は、F280039CSPZ MCUをベースにしたモータ制御やパワー変換システムの精度とエネルギー効率を、FPGAを必要とせずに改善できるようになります。さらに、実装が容易なGaN技術とSiC技術は、スイッチング周波数の向上、磁気部品の小型化、冷却面積の要件縮小により、スイッチング損失を低減して電力密度を向上させます。

F28003xシリーズは、コントローラエリアネットワークフレキシブルデータレート（CAN FD）通信に加え、複数の高速シリアルインターフェースをサポートしています。384Kバイトの内蔵フラッシュメモリは、ネットワークに接続されたモノのインターネット（IoT）機能を実現するために十分なリザーブを提供します。セキュアブート、AES暗号化エンジン、JTAGロック、ハードウェア組み込み自己テスト（HWBIST）などのオンチップセキュリティ機能は、ライブファームウェア更新やファームウェアオーバーザエア（FOTA）更新などのネットワークシステム介入が改ざんされないことを保証します。これらのMCUは、ASIL Bの要件を満たし、機能的安全性を内蔵しているため、アプリケーションの開発時間と市場投入に必要な認証の両方を加速することができます。図2には、必須機能とインターフェースの概要を示しています。

図2： 高速処理、柔軟な通信・センシングオプション、セキュアブートなどのセキュリティサポート機能など、主要部を示すF280039C MCUの機能ブロック図。（画像提供：Texas Instruments）

テストや試作に最適なTMDSCNCD280039Cは、F280039Cに適した評価ボードです。HSEC180ヘッダ（180ピン高速エッジコネクタ）を搭載したこのcontrolCARDを動作させるには、TMDSHSECDOCK 180ピンドッキングステーションが必要です。

カスタムロジック用の構成可能ロジックブロック（CLB）

プログラマは革新的な構成可能ロジックブロック（CLB）により、外部ロジック、FPGA、CPLD、ASICを排除しながら、C2000リアルタイム制御システムにカスタムロジックを統合することができます。CLBを追加することで、拡張パルス幅変調器（ePWM）、拡張キャプチャ（eCAP）、拡張直交エンコーダパルス（eQEP）など、既存のC2000周辺モジュールをお客様固有の信号や機能で拡張できるのです。

このロジックブロックは、C2000Ware内で利用可能なC2000 SysConfigを介して構成されます。これには、TIのCode Composer Studio（CCS）統合開発環境（IDE）の一部である、または他のIDEで使用するためのスタンドアロンツールとして提供されるSysConfigツールが必要となります（図3）。

図3：CLBによってC2000リアルタイム制御システムにカスタムロジックを容易に実装できるため、外部ロジックやFPGAが不要になります。（画像提供：Texas Instruments）

C2000Wareソフトウェアとドキュメントパッケージは、デバイス固有のドライバ、ライブラリ、アプリケーションサンプルを豊富に提供し、さらにCLBを使用した周辺デバイスを拡張することで、開発時間を最小限に抑えます。

C2000の組み込みアプリケーションのコード開発とデバッグのベースとなるのがCCS IDEです。このツール群には、最適化C/C++コンパイラ、ソースコードエディタ、プロジェクトビルド環境、デバッガ、プロファイラなど、多くの機能が含まれています。直感的なIDEが提供する単一のユーザーインターフェースは、アプリケーション開発の各ステップでユーザーをガイドします。Eclipseソフトウェアフレームワークに基づく使い慣れたツールやインターフェースにより、ユーザーはすぐに作業を開始できます。

クロッキングとテスト

プログラマは、CLBを使用して複雑なクロック周辺に介入する代わりに、組み込みパターンジェネレータ（EPG）を使用して、プログラミングや検証中に簡単なテストシナリオを作成できます。スタンドアロンEPGモジュールは、カスタムパルスパターン（SIGGEN）やクロック信号（CLOCKGEN）の生成を容易にしますが、受信したシリアルデータストリームを取り込んで形を変えたり、生成されたクロック信号と同期させたりすることも可能です。

C2000リアルタイムシステムにおけるデバッグおよび、重要なCPUバスやデバイスイベントの非侵入型モニタリングやプロファイリングには、Embedded Real-Time Analysis & Diagnostics（ERAD）が使用されます。ハードウェアモジュールは、MCUバスのアーキテクチャ内に配置された拡張バスコンパレータとシステムイベントカウンタを提供します（図4）。

図4：ERADは、割り込み生成用の高度なバスコンパレータとシステムイベントカウンタを提供し、MCUバスのアーキテクチャ内に配置され、リアルタイムシステムの非侵入型のデバッグを可能にします。（画像提供：Texas Instruments）

ERADは独立してシステムレベルの割り込みやフラグを生成し、CLBなど他の周辺機器にそれらを供給することができます。

C2000 MCUを使用したFOCエンジン制御の迅速な実装

ベクトル制御を使用したIPM-SynRMの可変トルク制御の実装は複雑になります。アルゴリズムは速度や負荷トルクに応じて、2つの回転座標系の間のオフセット角度を制御する必要があります。このため、ローターは位相シフト制御により、回転するステータ磁界を電気的に最大±90°リードまたは遅延させることが可能で、RMとPMSMの間で可変運転ができるようになります。磁束密度やロータートルクの複雑な制御は、TIのモータ制御ソフトウェア開発キットを使用して迅速に実装できます。

数十年にわたる専門知識を結集したこのソフトウェアには、C2000モータ制御評価モジュール（EVM）やTIデザイン（TID）上で動作するファームウェアが含まれています。ベクトル制御の主な機能ライブラリとしては、InstaSPIN-FOC（エンコーダのないFOCモータ制御）とDesignDRIVE（エンコーダを必要とするFOCモータ制御）の2つがあります。

InstaSPIN-FOCの主な特長：

• センサレストルクまたは速度FOC
• ローター推定用のフラックス、角度、速度、トルク（FAST）ソフトウェアオブザーバ
• モータパラメータの識別
• オブザーバとトルク制御ループの自動チューニング
• 低速で高度にダイナミックなアプリケーションに対応する高品質の性能

FOC制御ループの特長は、適応型FASTアルゴリズムです。これにより、相電圧や相電流からフラックス密度、電流角度、速度、トルクが自動的に決定されます（図5）。モータパラメータの自動識別により、設計者は新しいモータをすぐに稼働させ、制御ループの微調整を自動システムに任せることが可能になります。

図5：FOC制御ループの特長は、フラックス密度、電流角度、速度、トルクを自動検出する適応型FASTアルゴリズムです。（画像提供：Texas Instruments）

DesignDRIVEの主な特長：

• センサ付きの速度/位置FOC
• 位置フィードバック：レゾルバ、インクリメンタルエンコーダ、絶対エンコーダ
• 電流センス技術：ローサイドシャント、インライン電流サンプリング、シグマデルタフィルタ復調
• 高速電流ループ（FCL）：サーボ制御アプリケーションにおいて特定のPWM周波数で最高の制御帯域幅を実現するために、ハードウェアリソースを最大限に活用してシステムのサンプリング、処理、作動を高速化するように最適化されたソフトウェアライブラリ
• リアルタイム接続の例

アプリケーション例1：1つのMCUでトラクションインバータとDC/DCコンバータを制御

自動車メーカーは、分散した3つのシステムコンポーネントを1つのシャーシに統合し、MCUの数を最小限にしてシステムのコストと複雑さを低減する傾向があります。しかし、そのためには、3つすべてを管理するリアルタイム制御性能の高いMCUが必要です。これに対処すべく、TIのTIDM-02009リファレンス設計は、1つのF28388DPTPSリアルタイムMCUでEV/HEVのトラクションインバータと双方向DC/DCコンバータを制御するように組み合わされた設計を実証しています（図6）。

図6：制御ボード（左下）のC2000 MCUカード1枚のみで、トラクションインバータ（左上）とDC/DCコンバータ（右）を制御します。（画像提供：Texas Instruments）

トラクションインバータは、ソフトウェアベースのレゾルバ-デジタルコンバータ（RDC）を使用して、モータを最大20,000回転/分（rpm）の高速で駆動します。そのパワー段は、SiC FETをベースにしたWolfspeedのCCS050M12CM2 6ウェイ電源モジュールで構成され、TIのUCC5870QDWJRQ1インテリジェントゲートドライバによって駆動されます。コンパレータサブシステム（CMPSS）にスロープ補償を組み込んだ最先端のPWMモジュールが、PCMC波形を生成します。電圧センシング経路には、2V入力を備えたTIのAMC1311QDWVRQ1超高絶縁アンプを使用し、電流センシング経路には、±50mV入力を備えたTIのAMC1302QDWVRQ1超高絶縁精密アンプを使用しています。

DC/DCコンバータには、位相シフトフルブリッジトポロジ（PSFB）と同期整流（SR）を備えたピーク電流モード制御（PCMC）技術を採用しています。その双方向性により、コンバータがDCバスコンデンサをプリチャージするため、電流制限リレーや直列抵抗が不要になるという利点があります。CAN FDベースの耐干渉性通信は、内蔵されたTCAN4550RGYTQ1コントローラトランシーバモジュールによって提供されます。

アプリケーション例2：効率的な6.6kW双方向AC/DCコンバータ

比較的高電力の出力に対しては、6.6kWの電力を処理する双方向単相AC/DCコンバータ向けのGaN FETベースのリファレンス設計として、PMP22650が用意されています。充電器（OBC）は、グリッドからの電力でトラクションバッテリを充電し、逆にDCリンクコンデンサをプリチャージすることができます。このデバイスは、1次側の240V AC（28A）を、2次側の350V DC（19A）に変換します。

単一のF28388DPTPS MCUにより、120kHzのスイッチング周波数で動作する2相のトーテムポール力率補正（PFC）リンクを制御し、フルブリッジCLLLC（C＝コンデンサ、L＝インダクタ）トポロジの後に同期整流を制御します。CLLLCコンバータは、出力安定化のために周波数変調と位相変調の両方を使用し、200kHz～800kHzの可変周波数で動作します。

図7では、マッチングしたTMDSCNCD28388Dコントローラカード（中央）が、1次側のPFC中間回路（左）と、同期整流を備えた2次側のフルブリッジCLLLCコンバータ（右）を制御します。この設計の回路図を、図8に示します。

図7：TMDSCNCD28388Dコントローラカード（中央）は、1次側のPFCリンク（左）と、同期整流を備えた2次側のフルブリッジCLLLCコンバータ（右）を制御します。（画像提供：Texas Instruments）

新開発のLMG3522R030-Q1高速GaN FETの採用により、フルパワー時の最大効率96%と、3.8kW/リットルのオープンフレーム電力密度を実現しました。力率は0.999、全高調波歪み（THD）は2%未満です。LMG3522の代替品としては、同じく車載用認定されているLMG3422R030RQZT GaN FETがあり、スイッチング電圧は600V、R_ds(ON)は30mΩです。これは、ゲートドライバ、過負荷保護、温度監視も統合しています。

図8：PFC中間回路（左）と、同期整流を備えた2次側のフルブリッジCLLLCコンバータ（右）で構成されるOBCの回路トポロジ。（画像提供：Texas Instruments）

このAC/DCコンバータの特長は、共振コンデンサにかかる電圧をエミュレートしてゼロクロス歪みを大幅に低減するHHCを搭載していることです。また、テスト結果では過渡応答が改善され、この制御ループの設計も単一ループの電圧制御よりシンプルになりました。

太陽光発電インバータの例では、HHCがブリッジスイッチングトランジスタのゼロクロス時の歪みを効果的に低減し（図9の左）、パワーグリッドの歪みとエミッションを解消していることがわかります。正弦波グリッド電圧の3次高調波のTHDが7.8%と高い（図9の右上）ところを、HHCを使用することで0.9%に低減しています（図9の右下）。

図9：HHCはブリッジスイッチングトランジスタのゼロクロス時の歪みを大幅に低減し（左）、THDを解消します。正弦波ライン電圧の3次高調波のTHDが7.8%と高い（右上）ところを、HHCを使用することで0.9%に低減しています（右下）。（画像提供：ietresearch.onlinelibrary.wiley.com）

ちなみに、この6.6kWのDC/DCコンバータの回路設計は、TIのTIDA-010062リファレンス設計に基づいており、前述のC2000WARE-DIGITALPOWER-SDKにより、このようなパワーコンバータの設計が容易になります。

まとめ

Texas InstrumentsのC2000シリーズ リアルタイムMCUは、車載用パワーエレクトロニクスにおけるほぼすべての制御タスクに対応します。このようなMCUエコシステムのアプリケーションにより、通常は分散しているシステムエレクトロニクスを強力なリアルタイムMCUで集約して共同制御することで、時間効率とコスト効率良くシステム設計を行うことが可能となります。

上述のように、GaNやSiCのインテリジェントなパワードライバは、比較的簡単に実装できます。豊富なライブラリ機能と完全に文書化された認定済みリファレンス設計により、効率的なFOCモータ制御やコンバータのHHC制御の実装が容易になります。