[狂人新聞台] Taycan硬知識 - -12,000 Nm扭力 解密Porsche Taycan 動力核心

＃小編：坐穩了！令人屏息震驚的加速力道將駕駛和乘客狠狠壓進座椅

永磁同步馬達（PSM）而不是非同步馬達（ASM）

可不是每一種馬達都適合電動車。保時捷使用的是永磁同步馬達（PSM），較成本較低的非同步馬達（ASM）擁有更高的連續輸出功率，也不容易因過熱而需要調降功率。保時捷永磁同步馬達（PSM）透過三相交流電壓的電力電子系統供電與控制；換言之，馬達轉速由交流電壓在零點附近從正極流向負極的頻率來決定。在 Taycan 的馬達中，脈衝變流器負責調節定子磁場旋轉頻率，從而管理轉子轉速。轉子採用釹鐵硼合金製成的高品質永久磁鐵，在製造過程中會經過高強度定向磁場進行永久磁化。永久磁鐵在煞車過程中也有助於高效動能回收。當車輛處於滑行狀態，馬達便進入發電模式，讓磁鐵將電壓和電流導入定子線圈。

Taycan 電動馬達的「髮夾型繞組」

Taycan 電動馬達的「髮夾型繞組」技術亦完整體現了保時捷DNA - 登峰造極的科技。在這項技術中，構成線圈的導線不是圓形，而是矩形。相較於自持續滾動卷軸上取得銅線的傳統繞線技術，髮夾技術則採用成型組裝法，將矩形銅線分成個別好幾段，並彎曲成形似髮夾的 U 形，分別插入安裝線圈的定子疊片中，令矩形截面的表面層層相疊，再以雷射焊接「髮夾」兩端形成線圈，提升線圈密度，進而提高定子的銅含量。
保時捷髮夾技術的優勢，在於可將銅含量從過去的50%提升至近70%，達成相同容積能夠輸出更高的動力輸出與扭力目標；另一個重要的優勢則是相鄰銅線可均勻接觸，進而改善導熱，強化髮夾定子的冷卻效果。Taycan的電動馬達可將超過 90% 的能量轉化為動力：但是，與內燃機引擎一樣，耗能會轉化為熱能，這也使得電動馬達有一層冷卻水套包覆，為其散熱。

脈衝變流器的控制系統 蘊含保時捷的科技心血結晶

為了精確控制永磁同步馬達，電力電子系統必須掌握轉子的準確角度位置，此時就得仰賴解析器了。解析器由一個磁場傳導金屬製成的轉子盤、一個勵磁線圈和兩個接收線圈組成；勵磁線圈產生磁場，透過編碼器傳輸到接收器繞組，並在接收線圈中產生電壓，電壓相位與轉子位置成比例移動。控制系統可依據這些資訊準確計算轉子的角度位置。此一名為脈衝變流器的控制系統蘊含保時捷的科技心血結晶，負責將 800 V直流電轉換為交流電，並輸送至兩具電動馬達中。保時捷是有史以來第一家採用 800V電壓的車廠，這項技術一開始是為了保時捷 919 Hybrid 混合動力賽車而研發，現在則運用在量產車中，採用較細的電纜降低重量和體積，進而縮短充電時間。

Taycan電動馬達每分鐘轉速高達 16,000 轉。前後軸的驅動單元亦分別搭載一具變速箱，以在轉速範圍內成就保時捷經典的動態表現、效能和極速的完美協作。Taycan 是史上首款後軸搭載二速變速箱的電動跑車，其中第一檔的齒比非常短，前輪動力由一組單速行星變速箱傳輸到車輪。
此一組合賦予Taycan Turbo S強大的動力。前軸電動馬達的 440 Nm扭力經由齒輪比轉換後，將約 3,000 Nm的扭力傳至車輪；後軸電動馬達的 610 Nm扭力在第一檔時倍增為 9,000 Nm，齒比較長的二檔則確保高速行駛間維持高效能和動力儲備。這是一項深富開創性的先進科技，關注最細微之處，使得保時捷在純電時代仍能延續百年來的創新傳統。

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#微控制器MCU #馬達 #變頻器 #向量控制演算法 #功率因數修正FPC #可編程增益放大器PGA #開源軟體

【走入千家萬戶的馬達應用，MCU 是首腦】

搭載無刷馬達、可自動收合的智慧嬰兒車，具便利性且推動更流暢順手，但前提是：需有精確的轉矩控制，且馬達得有極高的負重承載能力。一般嬰兒車會使用 1kW 或 3kW 的變頻器；若想準確控制轉矩和速度，浮點運算單元 (FPU) 則是執行快速 PI 控制器 (比例＋積分) 的最佳選擇。

可一舉驅動 LCD、LED、感測器及任何三相永磁馬達、執行向量控制演算法的微控制器 (MCU)，從靜止狀態開始發揮最高轉矩完全不需感測器輔助，5V 電源設計可縮短變頻器與馬達的安裝距離，盡可能降低雜訊干擾。高速處理亦是重點，利於快速傅立葉轉換的濾波操作；而使用浮點運算單元 (FPU) 能縮減程式碼，避免源於格式轉換所導致的量化誤差，確實執行複雜的數學運算。例如，需快速計算磁通估測器的無感測器演算法、整數運算及轉換 FPU 皆能輕易完成。

「向量控制」的無感測器演算法不僅快速，且可保留大量 CPU 資源供應用程式使用。另一個例子是用一個 MCU 同時驅動至少兩個高速馬達的美容磨甲機，向量控制可限制轉矩漣波並避免馬達受到撞擊，開發套件內建自動調試演算法，只要連接馬達便能在幾分鐘內驅動兩個馬達、高速運轉，省卻以往動輒 1～2 週的微調、測試參數時間。另可編程增益放大器 (PGA) 可動態增益、靈活管理高／低轉速的馬達，主動式功率因數修正 (FPC) 可確保快速執行。

整合運算放大器——內建可調整 PGA 和比較器，更合乎成本考量；即使要同時執行兩個高壓馬達，也只需單一印刷電路板 (PCB) 便能實現。管理低速馬達也適用，由 MCU 驅動三相變頻器和超小型無刷馬達的調節胃束帶裝置是其中一項應用；晶片本身搭戴多個安全模組，可做 CRC、RAM、時脈等一致性檢查，I/O 連接埠本身也會執行許多可信度檢查。內建獨立監督功能，擁有高度引腳保護，且隨附軟體是免授權金的開源軟體，已開放給認證機構，可加速產品驗證。

最後一個例子是高速運轉三相無刷馬達、要求超快反應時間的呼吸器。向量控制演算法可確保超低雜訊、保持穩定，給予安穩的睡眠品質；一旦使用者停止呼吸，軟體能管理高速加、減速斜率，迅速做出反應。必要時，可插上霍爾感測器和編碼器，搭配特定 MOSFET 最高可驅動 40V 的外部馬達，也可外接功率級的高電壓或高電流。此應用新增數位訊號處理器 (DSP) 指令，可執行多次快速傅立葉轉換，使用多個感測器也不會產生轉矩漣波。更多資訊：https://www.renesas.com/zh-tw/support/buy/distributors.html。

演示視頻：
《瑞薩 RX23T 微控制器變頻器解決方案》
http://www.compotechasia.com/a/CTOV/2017/0827/36503.html

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#汽車電子 #混合動力車HEV #電動車EV #馬達定位 #扭矩控制 #逆變器 #分解器 #微控制器MCU

【馬達定位控制，讓汽車動力系統運轉更順暢】

隨著混合動力車／電動車 (HEV / EV) 市場不斷擴大，人們對於更高效率和智慧的馬達定位控制需求也變得更重要。現今原廠 (OEM) 比以往更專注於如何強化馬達能力 (如扭矩控制)，同時透過診斷維持高度的系統能見度，隨時掌握系統的狀況。為達目標，高整合的「馬達定位控制」解決方案——尤其是馬達效率和扭矩控制，變得至關重要。

對任何車輛來說，馬達是推動車輛前進的動力系統之核心零件，電動車亦不例外；需要馬達的角度和速度等位置資訊，以確保馬達控制系統能高效而精確地工作。由逆變器收集的資料被積極用來控制和監控每個馬達相中的電流情況——控制和調節馬達電流的過程，就是用來為馬達創造扭矩的過程，涵蓋：
1. 以低速啟動馬達和爬坡時，需要高扭矩；
2. 扭矩控制保證車輛高速行駛時的高功率；
3. 加速時，快速的扭矩回應要求精確的馬達控制；
4. 精確的馬達和扭矩控制實現再生制動需要的高頻率。

控制和理解馬達扭矩，可為駕駛人對車輪提供更滑順的動力；而準確瞭解馬達位置，是保證合適扭矩控制的關鍵。透過瞭解馬達軸的準確位置、並搭載可根據馬達資料做出決策的智慧系統，電動車的控制系統能精確計算出駕駛人需要的扭矩，控制越精確，駕駛人在因應上述任一情況時，將獲得更好體驗——當引擎／馬達控制單位 (逆變器) 加速或減速，車輛的電池能提供推動馬達運轉的動力。

之後，位置感測器 (分解器) 會讀取馬達角度資訊，並將其轉化成逆變器系統的微控制器 (MCU) 可操作格式；該資料一旦傳到微控制器，馬達控制系統就可據以增加或降低馬達扭矩，且合適的扭矩會依使用者的原始輸入傳遞到系統。馬達控制系統的核心零件是一個逆變器電路板，為微控制器、馬達推動器和用來讀取、操作收集資訊的感測器介面提供動力。

為此，在車輛引擎蓋下、靠近馬達處會配備電子系統，卻為車輛製造商帶來挑戰：由於引擎蓋下方空間很有限，保證一個具有小型結構與封裝的方案是必須的；而電子零件供應商正專注如何在一個封裝板內整合更多功能、甚至更多裝置——目前坊間車用裝置已能將實現系統功能所需零件整合在一個晶片上 (例如訊號鏈、通訊或電源)，且能將晶片組進一步整合，以降低電路板的零件數量。

另一個關鍵是系統的整體智慧和連線性。當車輛內部的各模組變得更加複雜，進行系統診斷和健康檢查是有必要的。對於 HEV / EV 馬達控制系統，做這些類型的檢查會使馬達、推動電路以及位置感測器的健康狀況成為已知變數，供作系統運轉依據。憑藉馬達系統內部的可見性，若有誤差或問題，對動力評估將更智慧與迅速；更智慧的馬達控制可報告控制系統的狀態並採取行動。

延伸閱讀：
《透過更小更智慧的馬達控制推動混合動力及電動車市場》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/1014/33736.html

#德州儀器TI #PGA411-Q1旋轉變壓器介面 #C2000微控制器

圖檔取材：pixabay.com

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