Jak sestavovat lepší automobilové systémy a systémy e-mobility využívající digitální signálové kontroléry

Jak konvenční automobilové systémy, tak systémy e-mobility závisí na efektivním provozu nesčetných elektronických zařízení zajišťujících pohodlné funkce a také kriticky důležité funkce funkční bezpečnosti. I když tyto různé aplikace představují širokou rozmanitost požadavků, zásadně vyžadují schopnost fungovat v extrémních podmínkách a zároveň poskytovat spolehlivou, vysoce výkonnou odezvu v reálném čase.

V důsledku toho čelí vývojáři rostoucí potřebě konzistentní, výkonné, dobře podporované a škálovatelné platformy schopné pomoci zjednodušit návrh a vývoj rozšiřující se řady případů použití v automobilovém průmyslu a e-mobilitě.

Tento článek pojednává o řadě digitálních signálových kontrolérů (DSC) od společnosti Microchip Technology, která může tyto požadavky splnit, a popisuje použití těchto DSC v referenčních návrzích kvůli funkcím nezbytným v automobilových systémech a systémech e-mobility.

Různé výzvy návrhu vyžadují flexibilní řešení

Ať už vývojáři navrhují pro konvenční, nebo elektrická vozidla, potřebují řešit rostoucí seznam aplikací, včetně subsystémů pro převod energie, bezdrátového nabíjení ve vozidle, digitálních osvětlovacích systémů a systémů řízení motoru, od relativně jednoduchých aplikací krokových motorů až po složité systémy regenerativního brzdění v elektrických vozidlech (EV) a hybridních elektrických vozidlech (HEV). Spolu s kritickými požadavky na funkční bezpečnost stále rostou na důležitosti i půdorys provedení a požadavky na kusovník (BOM), protože výrobci vozidel reagují na poptávku spotřebitelů a konkurenční tlak na vyšší bezpečnost, pohodlí, funkčnost a výkon.

V reakci na tyto požadavky se obor již rychle obrátil směrem k digitálním řešením v téměř všech subsystémech vozidel. Subsystémy v konvenčních osobních vozidlech již spoléhají na mikrokontroléry (MCU), na kterých běží čtyřikrát více softwarového kódu než v komerčních letadlech^[1].

S vyvíjející se poptávkou a konkurenčním tlakem však dřívější řešení mikrokontrolérů nemusí splňovat řadu požadavků, kterým nyní automobiloví konstruktéři čelí. Potřeba různých napájecích vedení ve více elektronických subsystémech a související funkce vysokonapěťového DC/DC převodu, zejména u elektrických vozidel, vyžaduje sofistikovanější možnosti digitálního řízení. Jiné aplikace, jako je bezdrátové nabíjení mobilních zařízení ve vozidle, zavádějí řadu zcela nových požadavků na design pro vícecívkové bezdrátové výkonové vysílače kompatibilní s přijímači napájení standardními pro obor, které jsou zabudovány do více spotřebitelských zařízení. Návrhy osvětlení vozidel se musí zabývat technickými charakteristikami, jako je stmívání, teplota, stárnutí součástek a dalšími, aby poskytovaly jasnější světlomety, příjemné barvy a stmívací efekty na palubních deskách. A konečně, přesné digitálně řízené motory jsou všudypřítomné i v konvenčních vozidlech a samozřejmě poskytují funkční základ pro e-mobilitu.

Řada DSC dsPIC33 společnosti Microchip Technology je navržena speciálně k řešení těchto různorodých požadavků pomocí produktů řady se specializovanými funkčními možnostmi. Pro vývojáře zaměřující se na sofistikovanější aplikace rozšiřuje nejnovější model této řady, dsPIC33C, výkon a funkce dostupné v modelech DSC dsPIC33E a dsPIC33F.

Tyto DSC založené na jádru digitálního signálového procesoru (DSP) kombinují jednoduchost MCU s výkonem DSP, aby splňovaly vyvíjející se požadavky na vysoký výkon, nízkou latenci, funkce v reálném čase a při zachování minimálního půdorysu a kusovníku. Pomocí rozsáhlého ekosystému vývojových desek dsPIC33, referenčních návrhů a nástrojů pro vývoj softwaru společnosti Microchip mohou vývojáři čerpat z různých produktů řady dsPIC33 a škálovat své návrhy tak, aby poskytovaly široký rozsah aplikací v srdci automobilových systémů a systémů e-mobility.

Efektivnější hardwarová základna pro automobilové návrhy a návrhy e-mobility

Řada dsPIC33C společnosti Microchip je navržena speciálně ke snížení latence a rychlému provádění vysokorychlostních softwarových digitálních řídicích smyček, které jsou základem mnoha automobilových subsystémů. K zajištění této funkce integrují tato zařízení DSP modul, vysokorychlostní registry a těsně propojené periferie včetně více analogově-digitálních převodníků (ADC), digitálně-analogových převodníků (DAC), analogových komparátorů a operačních zesilovačů.

Funkce, jako je jednocyklová jednotka MAC („Multiply-Accumulate“) 16 x 16 modulu DSP se 40bitovým akumulátorem, zero-overhead looping („nulové režijní smyčkování“) a barrel shifting („bitové posunování“) zajišťují vysokorychlostní provádění digitálních řídicích smyček. Periferní funkce, jako jsou pulzně-šířkové modulátory (PWM) s rozlišením 150 ps, časovače snímání/porovnání/PWM (CCP), generátor spouštění periferií a uživatelsky programovatelná konfigurovatelná logická buňka, umožňují nezávislý provoz rozhraní přesných řídicích smyček.

Rozsáhlé funkce na čipu u těchto zařízení v pouzdrech o velikosti 5 × 5 mm pomáhají vývojářům dosáhnout minimálního půdorysu a kusovníku, aby splnili požadavky na menší zařízení v elegantních automobilových systémech. Tato zařízení dále zjednodušují automobilové návrhy a podporují více komunikačních rozhraní včetně Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) a Digital Multiplex (DMX) používaných v pokročilých automobilových systémech. Kromě toho se tato zařízení dodávají v různých velikostech paměti v jednojádrových i dvoujádrových konfiguracích, což poskytuje druh škálovatelného řešení potřebného pro pokročilé automobilové aplikace a aplikace e-mobility.

Tyto díly jsou určeny pro náročná prostředí v automobilech, mají kvalifikaci AEC-Q100 úrovně 0 a jsou schopné splnit náročné požadavky provozu pod kapotou s podporou v rozšířeném teplotním rozsahu od −40 °C do +150 °C. Nejdůležitější pro kriticky důležité automobilové návrhy je, že vybrané produkty řady dsPIC33 jsou připraveny na funkční bezpečnost, aby usnadnily vyhovění bezpečnostním specifikacím včetně ISO 26262 (ASIL A nebo ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) a IEC 60730 (třída B). Tyto produkty řady dsPIC33 integrují specializované bezpečnostní hardwarové funkce včetně časovače přerušení k monitorování stavu, časovače sledovacích požadavků, bezpečného monitorování hodin, paměti s náhodným přístupem (RAM), vestavěného autotestu (BIST) a kódu pro opravu chyb.

Pro vývoj softwaru mají kompilátory MPLAB XC C společnosti Microchip certifikaci TÜV SUD pro funkční bezpečnost a v některých případech jsou k dispozici knihovny diagnostického softwaru. Kromě toho poskytuje společnost Microchip související zprávy o režimech poruch, efektech a diagnostické analýze (FMEDA) a bezpečnostní manuály potřebné jako součást procesu certifikace bezpečnosti.

Hardwarové bezpečnostní prvky a vývojové možnosti potřebné k certifikaci funkční bezpečnosti jsou pouze součástí bohatého vývojového ekosystému podporujícího návrh založený na dsPIC33 pro konvenční automobily i elektrická vozidla. Na základě svého integrovaného vývojového prostředí (IDE) MPLAB X nabízí společnost Microchip rozsáhlou sadu specializovaných nástrojů a knihoven návrhu pro různé oblasti aplikací, jak je uvedeno níže.

K dalšímu urychlení vývoje s řadou dsPIC33 nabízí společnost Microchip bohatý ekosystém vývojových desek dsPIC33 a také zdroje návrhů ke stažení, včetně bílých knih, aplikačních poznámek a referenčních návrhů. Mezi těmito zdroji se několik referenčních návrhů dsPIC33C zabývá několika klíčovými oblastmi aplikací pro automobilový průmysl a e-mobilitu, včetně bezdrátového nabíjení, digitálního osvětlení, převodu energie a řízení motoru. Kromě ukázky použití DSC dsPIC33C v jednotlivých oblastech mohou tyto referenční návrhy a související software sloužit také jako výchozí bod pro implementaci vlastních návrhů.

Implementace přesných digitálních řídicích smyček pro převod energie

Řídicí smyčky jsou jádrem mnoha automobilových aplikací a aplikací e-mobility a jedno z jejich nejkritičtějších použití v těchto aplikacích slouží základní potřebě převodu energie. Efektivní převod stejnosměrného proudu na stejnosměrný proud zůstává v konvenčních automobilových systémech důležitý a je nezbytný u vysokonapěťových elektrických a hybridních elektrických vozidel. V těchto systémech musí být napětí baterie 200–800 voltů bezpečně a efektivně sníženo na úroveň 12 nebo 48 voltů potřebnou k provozu vnějšího a vnitřního osvětlení a napájení motorů stěračů, oken, ventilátorů a čerpadel.

V referenčním provedení 200W rezonančního měniče DC/DC LLC (tři reaktivní prvky: dva indukční a jeden kapacitní)^[2] umožňuje jediné zařízení dsPIC33 kompaktní digitální řešení pro převod energie ve spínacím režimu s použitím jednoho z integrovaných PWM k řízení polomůstkových tranzistorů MOSFET v řídicí smyčce (obrázek 1).

Obrázek 1: Referenční návrh rezonančního měniče DC/DC LLC společnosti Microchip Technology spoléhá na jediný DSC dsPIC33 pro digitální správu řídicí smyčky, která je jádrem návrhu převodu energie. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Na obrázku 2 rezonanční transformátor izoluje primární napětí v horní části mostu (černé čáry) od sekundárního 12voltového zdroje (modré čáry) pro řadiče MOSFET (D) a 3V napájení pro DSC dsPIC33 a další analogové (A) komponenty.

Obrázek 2: Díky svým specializovaným periferiím pomáhají DSC dsPIC33 zjednodušit návrhy a snížit počet dílů, zde pomocí integrovaných PWM a periferních funkcí k řízení externích tranzistorů MOSFET (D) a dalších analogových (A) komponent. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

V tomto návrhu používá model dsPIC33 k řízení digitální řídicí smyčky základní návrh softwaru s řízením přerušením. Zde se přerušení ADC používá k získání výstupního napětí používaného v softwarové proporcionálně-integrálně-derivační (PID) řídicí jednotce. Další přerušení ADC podporuje snímání teploty, zatímco analogové komparátory dsPIC33 podporují detekci nadproudu a přepětí. Ve skutečnosti provádění procesu PID řízení a souvisejících úloh řízení řídicí smyčky ponechává dostatek prostoru ke zpracovávání úloh vnitřní údržby a monitorovacích úloh včetně monitorování teploty, monitorování poruch a komunikace, vše v rámci přímé sekvence zpracování firmwaru (obrázek 3).

Obrázek 3: Vysoce výkonný modul DSP u modelu DSC dsPIC33 a těsně propojené periferie umožňují vývojářům snadno implementovat složité digitální řídicí smyčky s jednodušším kódem. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Pro vývojáře, kteří chtějí vytvořit specializovanější řešení digitálního napájení, podporuje Digital Power Design Suite společnosti Microchip návrhy od koncepce přes generování firmwaru pro cílový DSC dsPIC. Na základě hardwarových funkcí DSC dsPIC používají vývojáři nástroj Digital Compensator Design Tool (DCDT) v sadě k analýze řídicích smyček a nástroj MPLAB Code Configurator (MCC) ke generování kódu, který používá optimalizované funkce sestavení kódu v knihovnách Microchip Compensator (obrázek 4).

Obrázek 4: Vývojáři mohou čerpat z komplexního řetězce nástrojů společnosti Microchip a urychlit vývoj optimalizovaných softwarových řídicích smyček v srdci digitálních napájecích subsystémů. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Ať už návrháři aplikací řídicí smyčky pro automobilový průmysl a e-mobilitu staví zařízení založená na standardech, jako jsou bezdrátové výkonové vysílače, nebo implementují složitější zařízení na zakázku, potřebují implementovat kompaktní řešení, která mohou podporovat další funkce nad rámec základních funkcí, jako je monitorování poruch. Další referenční návrh ilustruje použití jednojádrového DSC dsPIC33CK k poskytování bohaté sady funkcí v další důležité aplikaci digitálně řízeného převodu energie – v bezdrátovém přenosu energie.

Implementace bezdrátových výkonových vysílačů vyhovujících standardu Qi

Standard Qi organizace Wireless Power Consortium (WPC) pro bezdrátový přenos energie o výkonu 5 až 15 wattů, široce přijatý výrobci chytrých telefonů a dalších mobilních zařízení, umožňuje spotřebitelům nabíjet jejich zařízení s podporou Qi pouhým umístěním na jakýkoli povrch s vestavěným kompatibilním bezdrátovým vysílačem. Bezdrátové napájecí vysílače Qi, zabudované do povrchů v interiéru automobilů nebo nabíjecích produktů třetích stran, poskytují pohodlný způsob pro nabíjení chytrého telefonu, který eliminuje nepořádek a potenciální rozptýlení při připojování kabelového napájení. Referenční návrh 15wattového bezdrátového napájení Qi od společnosti Microchip Technology^[3] ilustruje použití dsPIC33 ke zjednodušení implementace tohoto typu subsystému (obrázek 5).

Obrázek 5: Integrované periferie DSC dsPIC33 mohou pracovat nezávisle, aby urychlily klíčové řídicí úlohy, přičemž ponechávají prostor pro zpracování dalších úloh, jako jsou uživatelská rozhraní, komunikace a zabezpečení ve složitějších aplikacích, jako jsou bezdrátové vysílače napájení. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Referenční návrh založený na jednojádrovém DSC dsPIC33CK256MP506 společnosti Microchip Technology využívá integrované funkce DSC k implementaci digitální řídicí smyčky. Ačkoli je tento návrh založen na topologii plného můstku spíše než na polomůstku použitém ve výše uvedeném rezonančním měniči, několik PWM zařízení tento dodatečný požadavek snadno splňuje.

Bezdrátové výkonové vysílače obvykle poskytují více radiofrekvenčních (RF) cívek pro přenos energie a v tomto návrhu je můstkový invertor připojen přes multiplexer (MUX) k jedné ze tří cívek. Stejně jako plnomůstkový invertor a front-end pro úpravu napětí využívá i tento návrh plně výhod integrovaných periferií DSC dsPIC33 ke správě přepínání cívek MUX.

Kromě řízení hradlových budičů MIC4605 a MP14700 společnosti Microchip periferie DSC dsPIC33:

• Řídí světelné diody (LED) indikátoru napájení pomocí I/O expandéru MCP23008 společnosti Microchip.
• Poskytují připojení USB prostřednictvím zařízení můstku USB MCP2221A společnosti Microchip.
• Podporují zabezpečené úložiště vyhovující požadavkům WPC prostřednictvím ověřovacího zařízení ATECC608 společnosti Microchip, které společnost Microchip poskytuje jako licencovaná certifikační autorita (CA) výrobce WPC.
• Poskytují konektivitu CAN připravenou na funkční bezpečnost ISO 2622 prostřednictvím zařízení CAN ATA6563 společnosti Microchip s flexibilní datovou rychlostí (FD).

Referenční návrh navíc využívá snižovač napětí MCP16331 a lineární regulátor MCP1755 společnosti Microchip pro podporu napájení pomocné baterie.

Pomocí tohoto relativně malého kusovníku poskytuje referenční návrh řešení připravené na technologii Qi, které má všechny klíčové vlastnosti bezdrátového napájecího systému včetně vysoké účinnosti, rozšířené nabíjecí oblasti, užitečné vzdálenosti Z (vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem), detekce cizích předmětů a podpory více implementací rychlého nabíjení používaných u předních chytrých telefonů. Na základě tohoto softwarového návrhu mohou vývojáři snadno přidat funkce, jako jsou proprietární komunikační protokoly mezi vysílačem a přijímačem a možnosti bezdrátového připojení, jako je mimo jiné Bluetooth.

Implementace kompaktních digitálních řešení osvětlení

Integrovaná funkčnost zařízení dsPIC33 je zvláště důležitá v automobilových aplikacích a aplikacích e-mobility, které vyžadují přidání nějaké sofistikované funkce bez narušení linií vozidla. Dostupnost vysoce intenzivních LED diod umožnila výrobcům vozidel vnést větší designový smysl do vnějších světlometů a vnitřního osvětlení.

Vývojáři těchto osvětlovacích subsystémů však musí obvykle vtěsnat více funkcí do menších balíčků a zároveň podporovat oborové standardy, jako je DMX, který poskytuje společný komunikační protokol pro ovládání řetězců osvětlovacích zařízení. Stejně jako výše zmíněná konstrukce bezdrátového napájecího vysílače využívá návrh řešení kompaktního digitálního osvětlení^[4] výhod integrovaných periferií DSC dsPIC33 (obrázek 6).

Obrázek 6: DSC dsPIC33 od společnosti Microchip Technology umožňují vývojářům dodávat komplexní návrhy s minimálním půdorysem a kusovníkem potřebným k nenápadnému zabudování funkcí do vozidel. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Stejně jako u jiných aplikací s digitálním napájením využívá tento návrh digitálního osvětlení výhod integrovaných PWM, analogových komparátorů a dalších periferií v DSC dsPIC33 a poskytuje kompletní, kompaktní řešení digitálního osvětlení. Stejně jako u výše zmíněných aplikací návrhu se toto řešení digitálního osvětlení opírá o výpočetní výkon DSC dsPIC33 a schopnost jeho periferií pracovat nezávisle a monitorovat a řídit požadované sady externích zařízení včetně napájecích zařízení, transceiverů, LED diod a dalších. Další příklady návrhů společnosti Microchip demonstrují vysoce výkonnou schopnost zpracovávání DSC dsPIC33 při práci se složitějšími digitálními řídicími algoritmy a pokročilými systémy řízení motoru.

Implementace pokročilých systémů řízení motoru pomocí jediného DSC dsPIC33

Výkon DSC dsPIC33 umožňuje vývojářům používat jeden DSC ke zpracování základní digitální řídicí smyčky a také k různým pomocným funkcím. Ve skutečnosti demonstruje dvoumotorový návrh společnosti Microchip^[5] implementaci bezsenzorového vektorového řízení (FOC) dvojice synchronních motorů s permanentními magnety (PMSM) pomocí pouze jednoho jednojádrového DSC dsPIC33CK. Klíč k tomuto návrhu spočívá ve fázovém posunu signálů PWM do invertorů pro jednotlivé kanály řízení motoru, řízení motoru 1 (MC1) a řízení motoru 2 (MC2) (obrázek 7).

Obrázek 7: Díky vysoce výkonnému zpracování a integrovaným periferiím může jednojádrový DSC dsPIC33CK podporovat návrhy řízení se dvěma motory. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

V tomto přístupu jsou PWM dsPIC33CK nakonfigurovány tak, aby generovaly potřebné křivky pro jednotlivé kanály řízení motoru a spouštěly samostatné ADC v optimálním okamžiku. Když jednotlivé ADC dokončí převod, vydají přerušení, které způsobí, že dsPIC333CK spustí algoritmus FOC pro danou sadu odečtů.

Jediný DSC dsPI33CK zvládne také robustnější aplikace řízení motoru. V referenčním návrhu pro vysoce výkonnou elektrickou koloběžku (elektrokoloběžku) ovládá dsPIC33CK více FET a hradlové budiče MIC4104 společnosti Microchip pro třífázový invertor, který pohání bezkartáčový stejnosměrný motor (BLDC) (obrázek 8).

Obrázek 8: Pomocí jednojádrového DSC dsPIC33CK mohou vývojáři implementovat robustní subsystém řízení motoru elektrokoloběžky pouze s několika dalšími komponenty. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Referenční návrh elektrokoloběžky^[6] podporuje bezsenzorové i senzorové provozní režimy, protože má možnost monitorovat zadní elektromotorickou sílu (BEMF) motoru BLDC a také výstup senzoru s Hallovým efektem. Při použití zdroje vstupního napětí od 18 do 24 voltů dosahuje konstrukce maximálního výstupního výkonu 350 wattů.

V dalším rozšíření tohoto návrhu^[7] demonstruje společnost Microchip přidání regenerativního brzdění používaného v EV a HEV k obnovení energie, když motor generuje BEMF při úrovních napětí vyšších, než je napětí baterie vozidla. Zde rozšířený návrh používá další pin dsPIC33CK pro sledování signálu přicházejícího z brzdy. Když je detekováno brzdění, dsPIC33CK nejprve vypne hradla high-side invertoru, aby posílil obnovovanou elektrickou energii na úroveň vyšší, než je napětí stejnosměrné sběrnice, a poté vypne hradla low-side, aby proud mohl proudit zpět do zdroje.

Vývojáři by mohli tento návrh upravit tak, aby podporoval větší funkčnost nahrazením jednojádrového dsPIC33CK dvoujádrovým DSC dsPIC33CH. V takovém návrhu by jedno jádro mohlo řídit ovládání motoru BLDC a funkci regenerativního brzdění s minimálními změnami kódu, zatímco druhé by mohlo provádět další bezpečnostní funkce nebo aplikace vysoké úrovně. Pomocí dvoujádrového DSC dsPIC33CH mohou vývojové týmy řízení motoru a týmy vývoje aplikací pracovat samostatně a bezproblémově integrovat své řízení pro provádění na DSC.

Pro vlastní návrhy řízení motoru poskytuje motorBench Development Suite společnosti Microchip sadu nástrojů grafického uživatelského rozhraní (GUI), která pomáhá vývojářům přesněji měřit kritické parametry motoru, ladit řídicí smyčky a generovat sestavení zdroje na platformě Microchip Motor Control Application Framework (MCAF) a knihovně řízení motorů.

Závěr

Při použití DSC dsPIC33 od společnosti Microchip Technology potřebují vývojáři relativně málo dalších komponent k implementaci široké škály návrhů digitálního napájení pro konvenční automobilové aplikace a aplikace e-mobility. Jednojádrové a dvoujádrové DSC dsPIC33 podporované bohatou sadou softwarových nástrojů a referenčních návrhů poskytují škálovatelnou platformu pro rychlý vývoj optimalizovaných řešení pro mimo jiné převod energie, bezdrátové nabíjení, osvětlení a řízení motoru.

Reference:

1. Dr. H. Proff et al, 2020. Software mění svět automobilů. Deloitte Insights.
2. https://www.microchip.com/en-us/development-tool/DC/DC-llc-resonant-converter
3. https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/wireless-power/15w-multi-coil-wireless-power-transmitter
4. https://www.microchip.com/en-us/solutions/power-management-and-conversion/intelligent-power/digital-lighting-control-and-drivers
5. Bílá kniha – řízení dvou motorů pomocí DSC dsPIC33CK
6. http://aem-origin.microchip.com/en-us/solutions/motor-control-and-drive/applications-and-reference-designs/e-scooter-reference-design
7. https://www.microchip.com/en-us/application-notes/an4064