Hvordan man opbygger bedre bil- og elektromobilitetssystemer ved hjælp af digitale signalcontrollere

Af Stephen Evanczuk

Bidraget af DigiKeys nordamerikanske redaktører

2021-11-17

Både konventionelle bilsystemer og systemer til e-mobilitet er afhængige af effektiv drift af et utal af elektroniske enheder til komfortfunktioner og missionskritiske funktionelle sikkerhedsfunktioner. Disse forskellige applikationer har vidt forskellige krav, men kræver grundlæggende evnen til at fungere under ekstreme forhold og samtidig levere pålidelig, højtydende realtidsrespons.

Derfor står udviklerne over for et voksende behov for en konsistent, kraftfuld, velunderstøttet og skalerbar platform, der kan hjælpe med at forenkle design og udvikling af et voksende udvalg af anvendelsesmuligheder inden for bilindustrien og e-mobilitet.

Denne artikel omhandler en familie af digitale signalcontrollere (DSC'er) fra Microchip Technology, der kan opfylde disse krav, og beskriver brugen af disse DSC'er i referencedesigns til funktioner, der er vigtige i bil- og e-mobilitetssystemer.

Forskellige designudfordringer kræver fleksible løsninger

Uanset om der er tale om konventionelle eller elektriske køretøjer, skal udviklerne tage højde for en voksende liste af applikationer, herunder subsystemer til strømkonvertering, trådløs opladning i køretøjet, digitale belysningssystemer og motorstyringssystemer, der spænder fra relativt enkle stepmotorapplikationer til komplekse regenerative bremsesystemer i elektriske køretøjer (EV'er) og hybride elektriske køretøjer (HEV'er). Sammen med missionskritiske krav til funktionel sikkerhed bliver kravene til designfodaftryk og materialebeskrivelse (BOM) stadig vigtigere, efterhånden som bilproducenterne arbejder på at imødekomme forbrugernes efterspørgsel og konkurrencemæssigt pres for større sikkerhed, komfort, funktionalitet og ydeevne.

For at imødekomme disse krav har industrien allerede taget en kraftig drejning mod digitale løsninger i næsten alle delsystemer i køretøjer. Undersystemer i konventionelle personbiler er allerede afhængige af mikrocontrollere (MCU'er), der kører fire gange mere softwarekode end kommercielle fly^[1].

Med den stigende efterspørgsel og det stigende konkurrencepres kan tidligere mikrocontrollerløsninger imidlertid ikke opfylde de mange krav, som autodesignere nu står over for. Behovet for forskellige strømskinner i flere elektroniske delsystemer og tilhørende højspændings DC/DC-konverteringsfunktionalitet, især i elbiler, kræver mere sofistikerede digitale styringsfunktioner. Andre anvendelser som trådløs opladning af mobile enheder i køretøjer medfører et væld af helt nye designkrav til trådløse multispolede effekttransmittere, der er kompatible med de effektmodtagere, der er standardiserede i industrien, og som er indbygget i flere forbrugerenheder. Design af køretøjsbelysning skal tage højde for tekniske karakteristika som dæmpning, temperatur, komponentældning og andet for at levere lysere forlygter, behagelige farver og dæmpningseffekter i instrumentbrættene. Endelig er digitalt styrede præcisionsmotorer allestedsnærværende, selv i konventionelle køretøjer, og de udgør naturligvis det funktionelle grundlag for e-mobilitet.

Microchip Technologys dsPIC33 DSC-familie er designet specielt til at imødekomme disse forskellige krav ved hjælp af andre serier med specialiserede funktionelle egenskaber. Den nyeste medlen af denne familie, dsPIC33C, udvider ydeevnen og funktionerne i dsPIC33E- og dsPIC33F-DSC 'er til udviklere, der sigter mod mere sofistikerede applikationer.

Disse DSC'er er baseret på en digital signalprocessor (DSP) og kombinerer en MCU's enkelhed med en DSP's ydeevne for at opfylde de nye krav til høj ydeevne, lav resptid og realtidskapacitet, samtidig med at de har et minimalt fodaftryk og BOM. Ved hjælp af Microchips omfattende økosystem af dsPIC33-udviklingskort, referencedesigns og softwareudviklingsværktøjer kan udviklere trække på forskellige medlemmer af dsPIC33-familien for at skalere deres design til at levere den brede vifte af applikationer, der er kernen i bil- og e-mobilitetssystemer.

Et mere effektivt hardwaregrundlag for design af biler og e-mobilitet

Microchips dsPIC33C-familie er designet specielt til at reducere responstiden og fremskynde udførelsen af softwarebaserede digitale kontrolkredsløb med høj hastighed, der ligger til grund for mange delsystemer i biler. For at levere denne kapacitet integrerer disse enheder en DSP-motor, højhastighedsregistre og tæt koblede perifere enheder, herunder flere analog-til-digital-konvertere (ADC'er), digital-til-analog-konvertere (DAC'er), analoge komparatorer og operationsforstærkere.

Funktioner som DSP-motorens single cycle 16 x 16 multiplikation-akkumulering (MAC) med 40-bit akkumulator, nul-overhead looping og tønde-shiftning sikrer højhastighedsudførelse af digitale kontrolloops. Periferifunktioner som pulsbreddemodulatorer (PWM) med 150 picosecond (ps) opløsning, CCP-timer (CCP), perifer trigger-generator og brugerprogrammerbar konfigurerbar logikcelle muliggør uafhængig drift af grænseflader til præcisionskontrolkredsløb.

Den omfattende on-chip-funktionalitet i disse enheder i pakninger så små som 5 x 5 millimeter (mm) hjælper udviklerne med at opnå et minimalt fodaftryk og en minimal BOM for at opfylde kravene til mindre enheder i slanke bilsystemer. Disse enheder, der yderligere forenkler design af biler, understøtter flere kommunikationsgrænseflader, herunder Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) og Digital Multiplex (DMX), der anvendes i avancerede bilsystemer. Desuden er disse enheder til gængelig i forskellige hukommelsesstørrelser i både single- og dual-core-konfigurationer, hvilket giver den form for skalerbar løsning, der er nødvendig for avancerede applikationer til biler og e-mobilitet.

Disse dele, der er beregnet til barske miljøer i biler, er AEC-Q100 Grade 0 klassificeret og kan opfylde de strenge krav til drift under motorhjelmen med understøttelse i et udvidet temperaturområde fra -40 °C til +150 °C. Vigtigst for missionskritiske bilkonstruktioner er udvalgte medlemmer af dsPIC33-familien klar til funktionel sikkerhed for at lette overholdelsen af sikkerhedsspecifikationer, herunder ISO 26262 (ASIL A eller ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) og IEC 60730 (klasse B). Disse medlemmer af dsPIC33-familien integrerer specialiserede sikkerhedshardwarefunktioner, herunder en deadman-timer, watchdog-timer, fejlsikker urovervågning, RAM-hukommelse (Random Access Memory), indbygget selvtest (BIST) og fejlkorrigerende kode.

Til softwareudvikling er Microchips MPLAB XC C-compilere TÜV SUD-certificeret for funktionel sikkerhed, og i nogle tilfælde er der diagnostiske softwarebiblioteker tilgængelige. Microchip leverer desuden de tilhørende FMEDA-rapporter (Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis) og de sikkerhedsmanualer, der er nødvendige som led i sikkerheds-certificeringsprocessen.

HW-sikkerhedsfunktioner og udviklingsmuligheder, der er nødvendige for certificering af funktionel sikkerhed, er kun en del af et rigt udviklingsøkosystem, der understøtter dsPIC33-baseret design til både konventionelle biler og elektriske køretøjer (EV). Microchip bygger på sit MPLAB X Integrated Development Environment (IDE) og tilbyder et omfattende sæt af specialiserede designværktøjer og biblioteker til forskellige anvendelsesområder som anført nedenfor.

For at hjælpe med at fremskynde udviklingen af dsPIC33-familien tilbyder Microchip et omfattende økosystem af dsPIC33-udviklingskort samt designressourcer til download, herunder hvidbøger, applikationsnoter og referencedesigns. Blandt disse ressourcer er der flere dsPIC33C-referencedesigns, som omhandler flere vigtige applikationsområder inden for bilindustrien og e-mobilitet, herunder trådløs opladning, digital belysning, strømkonvertering og motorstyring. Ud over at demonstrere brugen af en dsPIC33C DSC på hvert område kan disse referencedesigns og den tilhørende software også tjene som udgangspunkt for implementering af brugerdefinerede designs.

Implementering af digitale præcise reguleringsløsninger til strømkonvertering

Kontrolkredsløb er kernen i mange applikationer inden for bilindustrien og e-mobilitet, og en af deres mest kritiske anvendelser i disse applikationer tjener det grundlæggende behov for strømkonvertering. Effektiv DC/DC-konvertering er fortsat vigtig i konventionelle bilsystemer og er afgørende i elektriske højspændings- og hybridelbiler. I disse systemer skal batterispændinger på 200-800 volt sikkert og effektivt bringes ned til 12- eller 48-voltniveauer, der er nødvendige for at drive udvendig og indvendig belysning og motorer til vinduesviskere, vinduer, ventilatorer og pumper.

I et 200 watt (W) DC/DC LLC (tre reaktive elementer: to induktive og et kapacitivt) resonanskonverter referencedesign^[2] muliggør en enkelt dsPIC33-enhed en kompakt digital løsning til switch-mode strømkonvertering ved hjælp af en af dens integrerede PWM'er til at drive halvbro-MOSFETS i kontroloop'et (Figur 1).

Diagram over Microchip Technologys DC/DC LLC resonantkonverter-referencedesign Figur 1: Microchip Technologys DC/DC LLC-resonanskonverter referencedesign er baseret på en enkelt dsPIC33 DSC til digital styring af kontrolkredsløbet i hjertet af et strømkonverterdesign. (Billedkilde: Microchip Technology)

I figur 2 isolerer resonant-transformatoren højspændingen på primærsiden (sorte linjer) fra den sekundære 12 volts forsyning (blå linjer) til MOSFET-driverne (D) og 3 volts forsyningen til dsPIC33 DSC'en og andre analoge komponenter (A).

Figur 2: Med sine specialiserede periferier hjælper dsPIC33 DSC'er med at forenkle design og reducere antallet af dele, her ved hjælp af de integrerede PWM'er og perifere funktioner til at styre eksterne MOSFETS (D) og andre analoge komponenter (A). (Billedkilde: Microchip Technology)

I dette design bruger dsPIC33 et grundlæggende interrupt-drevet softwaredesign til at styre det digitale kontrolloop. Her bruges en ADC-interrupt til at opsamle udgangsspændingen, der bruges i software PID-reguleringen (Proportional Integral Derivative). En anden ADC-interrupt understøtter temperaturaflæsning, mens dsPIC33's analoge komparatorer understøtter overstrøms- og overspændingsdetektion. Faktisk efterlader udførelsen af PID-reguleringsprocessen og de tilknyttede opgaver til styring af kontrolkredsløbet masser af behandlingsrum til husholdnings- og overvågningsopgaver, herunder temperaturovervågning, fejlovervågning og kommunikation, alt sammen inden for en enkel firmwarebehandlingssekvens (Figur 3).

Diagram over Microchip dsPIC33 DSC'ernes højtydende DSP-motor Figur 3: dsPIC33 DSC'ernes højtydende DSP-motor og tæt koblede perifere enheder gør det muligt for udviklere at implementere komplekse digitale kontrolloops med enklere kode. (Billedkilde: Microchip Technology)

For udviklere, der ønsker at bygge mere specialiserede digitale strømforsyningsløsninger, kan Microchips Digital Power Design Suite støtte design fra idé til generering af firmware til en dsPIC DSC. Med udgangspunkt i dsPIC DSC-hardwarefunktioner bruger udviklere suitens Digital Compensator Design Tool (DCDT) til at analysere kontrollloops og MPLAB Code Configurator (MCC) til at generere kode, der bruger optimerede assemblerkode funktioner i Microchip Compensator Libraries (Figur 4).

Diagram over Microchips omfattende værktøjskasse Figur 4: Udviklere kan trække på Microchips omfattende værktøjskasse for at fremskynde udviklingen af optimerede softwarebaserede kontrollloops i hjertet af digitale strømforsyningssubsystemer. (Billedkilde: Microchip Technology)

Uanset om de bygger standardbaserede enheder som trådløse effekttransmittere eller implementerer mere komplekse specialfremstillede enheder, skal designere af applikationer til kontrolkredsløb i biler og e-mobilitet implementere kompakte løsninger, der kan understøtte yderligere funktionalitet ud over basale funktioner som f.eks. fejlovervågning. Et andet referencedesign illustrerer brugen af en single-core dsPIC33CK DSC til at levere et rigt sæt funktioner i en anden vigtig anvendelse af digitalt styret strømkonvertering - trådløs effekttransmission.

Implementering af Qi-kompatible trådløse effekttransmittere

WPC-standarden (Wireless Power Consortium) Qi, som er en udbredt standard for trådløs effektoverførsel på 5 til 15 watt, er blevet vedtaget af producenter af smartphones og andre mobile enheder, og gør det muligt for forbrugerne at oplade deres Qi-kompatible enheder ved blot at placere dem på en hvilken som helst overflade med en indbygget kompatibel trådløs sender. Qi trådløse effekttransmittere, der er indbygget i bilens indre overflader eller i tredjeparts opladningsprodukter, giver en praktisk metode til opladning af smartphones, der eliminerer den forvirring og potentielle distraktion, der er forbundet med kablede strømforbindelser. Microchip Technology's 15-watt Qi trådløs strømforsyning reference design^[3] illustrerer brugen af en dsPIC33 til at forenkle implementeringen af denne type delsystem (Figur 5).

Figur 5: dsPIC33's integrerede perifere enheder kan fungere uafhængigt af hinanden for at fremskynde vigtige kontrolopgaver og efterlade en behandlingsmargin til udførelse af andre opgaver som brugergrænseflader, kommunikation og sikkerhed i mere komplekse applikationer som f.eks. trådløse effekttransmittere. (Billedkilde: Microchip Technology)

Referencedesignet er baseret på en Microchip Technology single-core dsPIC33CK256MP506 DSC og bruger DSC'ens integrerede funktioner til at implementere et digitalt kontrolloop. Selv om dette design er baseret på en fuldbrostopologi i stedet for halvbroen, der anvendes i den ovenfor nævnte resonans-konverter, opfylder enhedens flere PWM'er nemt dette yderligere krav.

Trådløse effekttransmittere har typisk flere radiofrekvensspoler (RF-spoler) til overførsel af effekt, og i dette design er bro-inverteren forbundet via en multiplexer (MUX) til en af tre spoler. Ligesom front-end'en med fuldbro-inverter og spændingskonditionering udnytter dette design dsPIC33's integrerede periferiudstyr fuldt ud til at styre spole-MUX-switching.

Ud over at styre Microchips MIC4605- og MP14700 gate-drivere styrer dsPIC33-perifere enhederne også:

Styring af lysdioder (LED'er) til strømindikatorer via en Microchip MCP23008 I/O-ekspander
Giver USB-tilslutning via en Microchip MCP2221A USB-bro-enhed
Understøtter WPC-kompatibel sikker lagring via en Microchip ATECC608-autentifikationsenhed, som Microchip stiller til rådighed som licenseret WPC-producentcerende certificeringsmyndighed (CA)
Giver ISO 2622 funktionel sikkerhedsklar CAN-tilslutning via en Microchip ATA6563 CAN-enhed med fleksibel datahastighed (FD)

Desuden bruger referencedesignet Microchips MCP16331 buck-konverter og MCP1755 lineær regulator til at understøtte ekstra batteristrøm.

Ved hjælp af denne relativt lille BOM giver referencedesignet en Qi-ready-løsning, der har alle de vigtigste funktioner i et trådløst strømsystem, herunder høj effektivitet, udvidet opladningsområde, nyttig Z-afstand (afstand mellem sender og modtager), registrering af fremmedlegemer og understøttelse af flere implementeringer af hurtig opladning, der anvendes i førende smartphones. Ved at bygge videre på dette softwarebaserede design kan udviklere nemt tilføje funktioner som f.eks. proprietære kommunikationsprotokoller mellem sender og modtager og trådløse tilslutningsmuligheder som f.eks. Bluetooth.

Implementering af kompakte digitale belysningsløsninger

Den integrerede funktionalitet i dsPIC33-enheder er særlig vigtig i applikationer til biler og e-mobilitet, som kræver tilføjelse af en sofistikeret funktion uden at forstyrre køretøjets linjer. LED'er med høj intensitet har gjort det muligt for bilproducenterne at give de udvendige forlygter og den indvendige belysning en større designmæssig sans.

Udviklerne af disse belysningssubsystemer skal dog typisk presse flere funktioner ind i mindre pakker og samtidig understøtte industristandarder som DMX, der giver en fælles kommunikationsprotokol til styring af lyskæder af belysningsenheder. Ligesom det ovennævnte design af den trådløse effekttransmitter udnytter et design til en kompakt digital belysningsløsning^[4] dsPIC33's integrerede perifere udstyr (figur 6).

Figur 6: Microchip Technologys dsPIC33 DSC'er gør det muligt for udviklere at levere komplekse designs med det minimale fodaftryk og BOM, der kræves for at integrere funktionalitet diskret i køretøjer. (Billedkilde: Microchip Technology)

Som med andre digitale strømforsyningsapplikationer udnytter dette digitale belysningsdesign dsPIC33's integrerede PWM'er, analoge komparatorer og andre perifere enheder til at levere en komplet, kompakt digital belysningsløsning. Som i de ovennævnte designapplikationer er denne digitale belysningsløsning afhængig af dsPIC33 DSC's processorkraft og evne til at lade perifere enhederne fungere uafhængigt for at overvåge og styre det nødvendige sæt eksterne enheder, herunder strømforsyningsenheder, transceivere, lysdioder og meget mere. Andre Microchip-designeksempler demonstrerer dsPIC33 DSC'ernes høje ydeevne i forbindelse med håndtering af mere komplekse digitale styringsalgoritmer og avancerede motorstyringssystemer.

Implementering af avancerede motorstyringssystemer med en enkelt dsPIC33 DSC

Ydelsen af dsPIC33 DSC'er gør det muligt for udviklere at bruge en enkelt DSC til at håndtere udførelsen af det centrale digitale kontrolloop samt forskellige hjælpefunktioner. Faktisk demonstrerer et Microchip-design med to motorer^[5] implementering af sensorløs, feltorienteret styring (FOC) af et par synkronmotorer med permanentmagnet (PMSM'er) ved hjælp af blot én enkelt kerne dsPIC33CK DSC. Nøglen til dette design ligger i faseforskydning af PWM-signalerne til inverterne for hver motorstyringskanal, motorstyring 1 (MC1) og motorstyring 2 (MC2) (Figur 7).

Figur 7: På grund af den højtydende behandling og de integrerede perifere enheder kan en enkelt kerne dsPIC33CK DSC understøtte design med to motorstyringer. (Billedkilde: Microchip Technology)

I denne tilgang er dsPIC33CK's PWM'er konfigureret til at generere de nødvendige bølgeformer for hver motorstyringskanal og udløse separate ADC'er på det optimale tidspunkt. Når hver ADC er færdig med konverteringen, udsender den et interrupt, som får dsPIC333CK til at udføre FOC-algoritmen for det pågældende sæt aflæsninger.

En enkelt dsPI33CK DSC kan også håndtere mere robuste motorstyringsapplikationer. I et referencedesign til en højtydende elektrisk scooter (E-scooter) styrer en dsPIC33CK de mange FET'er og Microchip MIC4104 gate-drivere til en trefaset inverter, der driver en børsteløs DC-motor (BLDC) (Figur 8).

Figur 8: Ved hjælp af en single-core dsPIC33CK kan udviklere implementere et robust delsystem til styring af en e-scooter-motor med kun få ekstra komponenter. (Billedkilde: Microchip Technology)

Referencedesignet til e-scooter^[6] understøtter både sensorløs og sensor-driftstilstand, da det har mulighed for at overvåge BLDC-motorens BEMF (back electromotive force) samt Hall-effekt-sensorudgang. Ved hjælp af en indgangsspændingskilde på 18 til 24 volt opnår designet en maksimal udgangseffekt på 350 watt.

I en yderligere udvidelse af dette design^[7] demonstrerer Microchip tilføjelsen af regenerativ bremsning, der anvendes i EV'er og HEV'er til at genvinde energi, da motoren genererer BEMF ved spændingsniveauer, der er højere end køretøjets batteriforsyning. Her bruger det udvidede design et ekstra dsPIC33CK-stift til at overvåge signalet fra bremsen. Når der registreres bremsning, slukker dsPIC33CK først for inverterens high-side-gates for at øge den genvundne elektriske energi til et niveau, der er højere end DC-busspændingen, og slukker derefter for low-side-gates for at tillade strømmen at strømme tilbage til kilden.

Udviklere kan skalere dette design til at understøtte større funktionalitet ved at erstatte single-core dsPIC33CK med en dual-core dsPIC33CH DSC. I et sådant design kan den ene kerne håndtere BLDC-motorstyring og regenerativ bremsefunktionalitet med minimale kodeændringer, mens den anden kerne kan udføre yderligere sikkerhedsfunktioner eller applikationer på højt niveau. Ved hjælp af dual-core dsPIC33CH kan motorstyringsudviklingsteams og applikationsudviklingsteams arbejde separat og problemfrit integrere deres styring til udførelse på DSC'en.

Til brugerdefinerede motorstyringsdesigns tilbyder Microchips motorBench Development Suite en grafisk brugergrænseflade (GUI), der hjælper udviklere med at måle kritiske motorparametre mere præcist, indstille kontrollloops og generere kildekode, der bygger på Microchips Motor Control Application Framework (MCAF) og Motor Control Library.

Konklusion

Ved hjælp af Microchip Technologys dsPIC33 DSC'er behøver udviklere relativt få ekstra komponenter for at implementere en bred vifte af digitale strømforsyningsdesigns til konventionelle applikationer til biler og e-mobilitet. Med et omfattende sæt softwareværktøjer og referencedesigns i bagagen udgør single-core og dual-core dsPIC33 DSC'er en skalerbar platform til hurtig udvikling af optimerede løsninger til bl.a. strømkonvertering, trådløs opladning, belysning og motorstyring.

Referencer:

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.