基于ST Bernina芯片的牵引电机系统方案

基于国内可持续发展战略的指引下，新能源动力（包括纯电力驱动及混合动力驱动等）取代传统完全化石燃料驱动汽车成为趋势。其中，新能源汽车里的关键零部件牵引电机驱动关键技术，成为汽车产业新的重点研究和产业投入方向。

意法半导体在新能源应用半导体领域内所做的深入耕耘，通过将高等级安全特性复杂集成电路和高性能功率器件等系统性的解决方案相结合，以及与第三方设计公司革路电子共同协作下推出了高安全等级牵引电机控制器参考设计。系统框图如下：

该参考设计主要特性包括如下：

（1）系统性功能安全设计，详细的安全路径设计参考；

（2）旋转变压器软件解码和补偿估计算法；

（3）基于SimulinkMBD开发的永磁同步电机控制模型；

（4）支持ASAP2 XCP协议的电机匹配和标定支持；

（5）支持Autosar基础软件和整车控制器/动力域控制器匹配；

（6）新一代结温估算方法和模型；

（7）支持350V电压平台和700V电压平台。

基于SimulinkMBD开发的永磁同步电机控制模型关键特性如下：

（1）基于FOC的扭矩/速度4象限闭环控制；

（2）弱磁控制；

（3）SVPWM调制方法；

（4）死区时间补偿；

（5）基于不同的工作模式的状态机控制；

（6）不同的门级驱动状态控制；

（7）旋变信号软解码；

（8）转子偏移角自动标定；

（9）转子磁链自动标定；

（10）扭矩减额控制， Damping控制和扭矩预测；

（11）传感器信号处理；

（12）SiC和二极管温度估算；

（13）电压和电流补偿功能；

（14）温度补偿功能。
 

系统的解决方案采用了一系列意法半导体所生产的高安全高可靠性的车规级器件，按照ISO26262流程进行安全目标设计，关键器件及特性如下：

（1）基于40nm高安全特性的SPC58NN84，具备三核心200MHzPowerPCe200z4核心，6MbyteFlash存储，8chCANFD，第三代GTM模块，Sigma-Delta 高精度ADC，ASIL-D安全等级；

（2）系统级芯片L9396，支持最高1A的可配置电压输出的微控制器供电输出，支持独立的3.3V/5V 外设IO供电输出，250mA的外设和ADC供电输出，独立的多通道传感器供电输出，问答式和窗口式双重看门狗，安全状态输出等；

（3）新一代隔离门极驱动器L9502，支持最高15A的驱动电流，单颗最高6路的隔离ADC，隔离SPI接口的诊断信息支持；完整的诊断和保护支持；

（4）ST高性能IGBT及SIC器件及模组，多种功率组合支持；

系统参考平台主要物理特性如下：

以上方案经过了系统级的评估之后，在一部分先行客户的合作下通过了高功率电机台架实验。此外，该样机基于ST整套半导体解决方案，获得了客户的一致好评，其突出的性能如下：

（1）SPC58NN84出色的性能，支持了基于GTMV3和SigmaDeltaADC的旋转变压器软解码，优化了系统成本；

（2）支持硬件DeadTime定义的DTM和ATOM结合实现了高效安全的SVPWM输出，为精确的功率控制提供了保障；

（3）基于GTM精确触发的相电流采样，为电机扭矩闭环控制提供了精确采样时间控制；

（4）基于FCCU和Lockstep锁步核心，SBC安全状态管理，提供了硬件级别的安全关断路径和ASC控制。

（5）完整的Autosar支持和XCP匹配标定支持，帮助客户简化台架实验，进一步快速实现电机IdIqMap等部分标定。