Hur man bygger bättre fordons- och e-mobilitetssystem med hjälp av digitala signalstyrenheter

Av Stephen Evanczuk

Bidraget med av DigiKeys nordamerikanska redaktörer

2021-11-17

Både konventionella fordons- och e-mobilitetssystem är beroende av att en myriad av elektroniska enheter fungerar effektivt, både när det gäller bekvämlighetsfunktioner och när det gäller kritisk funktionssäkerhet. Dessa olika tillämpningar har många olika krav, men ett av grundkraven är att de måste fungera under extrema förhållanden samtidigt som de ger tillförlitliga, högeffektiva svar i realtid.

Utvecklare står därför inför ett växande behov av en konsekvent, kraftfull, skalbar plattform med bra stöd, som kan hjälpa till att förenkla konstruktion och utveckling av ett växande antal användningsområden för bilar och e-mobilitet.

Artikeln beskriver en familj av digitala signalstyrenheter (DSC) från Microchip Technology som kan uppfylla dessa krav och beskriver användningen av DSC:erna i referenskonstruktioner för funktioner som är viktiga i fordons- och e-mobilitetssystem.

Olika konstruktionsutmaningar kräver flexibla lösningar

Oavsett om det rör sig om konventionella eller elektriska fordon måste utvecklare hantera en växande lista av tillämpningar, inklusive delsystem för kraftomvandling, trådlös laddning i fordonet, digitala belysningssystem och motorstyrningssystem, från relativt enkla tillämpningar med stegmotorer till komplicerade regenerativa bromssystem i elfordon och elektriska hybridfordon. Tillsammans med uppdragskritiska krav på funktionssäkerhet fortsätter kraven på konstruktionens format och materiallista (BOM) att öka i betydelse när fordonstillverkarna försöker svara på konkurrenstryck och kunders efterfrågan på ökad säkerhet, bekvämlighet, funktionalitet och prestanda.

Branschen har som svar på dessa krav redan gjort en kraftig satsning på digitala lösningar i nästan alla fordonets delsystem. Delsystem i konventionella personbilar är redan beroende av mikrocontrollers (MCU:er) som kör fyra gånger mer programkod än kommersiella flygplan^[1].

Med en ökande efterfrågan och ett ökat konkurrenstryck kan dock tidigare lösningar med mikrocontrollers inte uppfylla de många krav som fordonsutvecklare nu ställs inför. Behovet av olika matningsspänningar i fler elektroniska delsystem och tillhörande funktioner för högspänd DC/DC-omvandling, särskilt i elfordon, kräver mer sofistikerade digitala styrfunktioner. Andra tillämpningar som trådlös laddning av mobila enheter i fordon medför en mängd helt nya konstruktionskrav för trådlösa strömsändare med flera spolar som är kompatibla med de strömmottagare av industristandard som byggs in i allt fler konsumentenheter. Fordonsbelysningen måste ta hänsyn till tekniska egenskaper som t.ex. ljusreglering, temperatur och komponenters åldrande för att ge ljusare strålkastare, behagliga färger och ljusregleringseffekter på instrumentbrädor. Slutligen är digitalt precistionsstyrda motorer ständigt närvarande även i konventionella fordon och utgör naturligtvis den funktionella grunden för e-mobilitet.

DSC-familjen dsPIC33 från Microchip Technology är särskilt utformad för att uppfylla dessa olika krav med hjälp av produkter i familjen med specialiserade funktionsegenskaper. Den senaste produkten i familjen, dsPIC33C, utökar prestandan och funktionerna hos DSC:erna dsPIC33E och dsPIC33F för utvecklare som siktar på mer sofistikerade tillämpningar.

DSC:erna som är baserade på en digital signalprocessorkärna (DSP) kombinerar enkelheten hos en MCU med prestandan hos en DSP för att uppfylla de ökande kraven på hög prestanda, låg latens och realtidskapacitet, samtidigt som de har ett minimalt format och en minimal materiallista. Med hjälp av Microchips omfattande ekosystem av utvecklingskort för dsPIC33, referenskonstruktioner och verktyg för programvaruutveckling kan utvecklare använda olika produkter i dsPIC33-familjen för att skala sina konstruktioner och leverera den mängd av olika tillämpningar som är centrala för fordons- och e-mobilitetssystem.

En effektivare hårdvarubas för konstruktion av fordon och e-mobilitet

Familjen dsPIC33C från Microchip är särskilt utformad för att minska latensen och skynda på exekveringen av mjukvarubaserade digitala styrslingor i hög hastighet, som ligger till grund för många delsystem i bilar. För att leverera denna kapacitet integrerar enheterna en DSP-motor, höghastighetsregister och tätt kopplad kringutrustning, inklusive flera analog-till-digitalomvandlare (ADC), digital-till-analogomvandlare (DAC), analoga komparatorer och operationsförstärkare.

Funktioner som DSP-motorns 16 x 16 multiply-accumulate (MAC) med 40-bitars ackumulator, zero-overhead-slingor och barrel shifting i en cykel garanterar en exekvering av digitala styrslingor i hög hastighet. Kringutrustningens funktioner såsom pulsbreddsmodulatorer (PWM) med en upplösning på 150 ps, timers för att fånga/jämföra/PWM (CCP), perifera triggergeneratorer och en användarprogrammerbar konfigurerbar logikcell möjliggör drift oberoende av gränssnitten för precisionsstyrkretsarna.

Kretsens omfattande funktionalitet i enheterna i så små kapslingar som 5 x 5 mm hjälper utvecklare att uppnå det minimala format och den minimala materiallista som krävs för att uppfylla kraven på mindre enheter i släta fordonssystem. För att ytterligare förenkla konstruktionen av fordon, har enheterna stöd för flera kommunikationsgränssnitt, inklusive Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) och Digital Multiplex (DMX) som används i avancerade fordonssystem. Enheterna finns dessutom i olika minnesstorlekar med både enkel- och dubbelkärniga konfigurationer, vilket ger den typ av skalbar lösning som krävs för avancerade tillämpningar i fordon och e-mobilitet.

Delarna är avsedda för tuffa fordonsmiljöer och uppfyller AEC-Q100 Grade 0, och klarar de höga kraven för drift under motorhuven med stöd för ett utökat temperaturområde från -40 till +150 °C. Det viktigaste vid uppdragskritiska fordonskonstruktioner är att utvalda produkter i familjen dsPIC33 är godkända för funktionssäkerhet för att underlätta efterlevnaden av säkerhetsspecifikationer, inklusive ISO 26262 (ASIL A eller ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) och IEC 60730 (klass B). Produkterna i familjen dsPIC33 integrerar specialiserade hårdvarufunktioner för säkerhet, inklusive deadman-timer, watchdog-timer, felsäker klockövervakning, RAM-minne, inbyggd självtestning (BIST) och felkorrigerande kod.

För programvaruutveckling är Microchips MPLAB XC C-kompilatorer certifierade enligt TÜV SUD för funktionssäkerhet, och i vissa fall finns bibliotek för diagnostisk programvara tillgänglig. Microchip tillhandahåller dessutom tillhörande rapporter om fellägen, effekter och diagnostikanalyser (FMEDA) samt säkerhetshandböcker som behövs som en del av processen för säkerhetscertifiering.

Funktioner för hårdvarusäkerhet och utvecklingsmöjligheter som krävs för certifiering av funktionssäkerhet är bara en del av ett rikt ekosystem för utveckling, som stöder dsPIC33-baserade konstruktioner för både konventionella bilar och elbilar. Microchip bygger på sin integrerade utvecklingsmiljö MPLAB X(IDE) och har en omfattande uppsättning specialiserade konstruktionsverktyg och bibliotek för olika tillämpningsområden enligt nedan.

För att ytterligare skynda på utvecklingen med familjen dsPIC33 erbjuder Microchip ett rikt ekosystem av utvecklingskort för dsPIC33 samt nedladdningsbara konstruktionsresurser, inklusive vitböcker, tillämpningsanvisningar och referenskonstruktioner. Bland resurserna finns flera referenskonstruktioner med dsPIC33C för flera viktiga tillämpningsområden för bilar och e-mobilitet, bland annat trådlös laddning, digital belysning, kraftomvandling och motorstyrning. Förutom att demonstrera användningen av en dsPIC33C DSC inom varje område kan referenskonstruktionerna och tillhörande programvara även fungera som utgångspunkt för implementering av egna konstruktioner.

Genomförande av noggranna digitala styrslingor för kraftomvandling

Styrslingor är kärnan i många tillämpningar inom bilindustrin och e-mobilitet, och en av de mest kritiska användningarna i tillämpningarna berör det grundläggande behovet av kraftomvandling. En effektiv DC/DC-omvandling är fortfarande viktig i konventionella fordonssystem och är helt avgörande i elektriska högspänningsfordon och hybridfordon. I dessa system måste batterispänningar på 200-800 V på ett säkert och effektivt sätt transformeras ner till de nivåer på 12 eller 48 V som krävs för att driva yttre och inre belysning samt motorer för torkar, fönster, fläktar och pumpar.

I en referenskonstruktion för en 200 W DC/DC LLC-resonansomvandlare (tre reaktiva element: två induktiva och ett kapacitivt)^[2] möjliggör en enda dsPIC33-enhet en kompakt digital lösning för kraftomvandling i switchningsläge, med hjälp av en av de integrerade PWM:erna för att driva halvbryggans MOSFET:ar i styrslingan (figur 1).

Diagram över referenskonstruktion för DC/DC LLC-resonansomvandlare från Microchip Technology Figur 1: Referensdesignen för DC/DC LLC-resonansomvandlaren från Microchip Technology bygger på en enda dsPIC33-DSC för att digitalt hantera styrslingan i hjärtat av en kraftomvandlingskonstruktion. (Bildkälla: Microchip Technology)

I figur 2 isolerar resonanstransformatorn högspänningen på primärsidan (svarta linjer) från strömförsörjningen på 12 V på sekundärsidan (blå linjer) för MOSFET-drivkretsarna (D) och spänningsmatningen på 3 V för DSC:n dsPIC33 och andra analoga komponenter (A).

Figur 2: Med sina specialiserade kringkretsar hjälper DSC:n dsPIC33 till att förenkla konstruktioner och minska antalet komponenter, med hjälp av de integrerade PWM:erna och kringkretsarnas funktioner för att styra externa MOSFET:ar (D) och andra analoga komponenter (A). (Bildkälla: Microchip Technology)

I den här konstruktionen använder en dsPIC33 en enkel avbrottsdriven programvarudesign för att hantera den digitala styrslingan. Här används ett ADC-avbrott för att hämta den utgångsspänning som används i programvarans PID-styrenhet (proportionell-integral-derivativ). Ett annat ADC-avbrott har stöd för temperaturavkänning, medan de analoga kompatorerna i dsPIC33:s har stöd för detektering av överström och överspänning. Faktum är, att exekveringen av PID-regleringsprocessen och tillhörande uppgifter för hantering av styrkretsar lämnar gott om utrymme för hushålls- och övervakningsuppgifter, inklusive temperaturövervakning, felövervakning, och kommunikation, allt inom ramen för en enkel bearbetningssekvens i firmware (figur 3).

Diagram över den högeffektiva DSP-motorn i DSC:n dsPIC33 från Microchip Figur 3: Den högeffektiva DSP-motorn i DSC:n dsPIC33 och tätt sammankopplade kringutrustning kan utvecklare enkelt implementera komplicerade digitala styrslingor med enklare kod. (Bildkälla: Microchip Technology)

För utvecklare som vill bygga mer specialiserade lösningar för digital strömförsörjning har Digital Power Design Suite från Microchip stöd för konstruktioner från idé till generering av firmware för en dsPIC-DSC. Med utgångspunkt i dsPIC-DSC:ns hårdvarufunktioner använder utvecklare svitens verktyg för digital kompenseringsdesign (DCDT) för att analysera styrslingor och MPLAB Code Configurator (MCC) för att generera kod som använder optimerade funktioner i assemblerkod i Microchip Compensator Libraries (figur 4).

Diagram över den omfattande verktygskedjan från Microchip Figur 4: Utvecklare kan använda Microchips omfattande verktygskedja för att skynda på utvecklingen av optimerade mjukvarubaserade styrslingor i hjärtat av digitala effektdelsystem. (Bildkälla: Microchip Technology)

Oavsett om de bygger standardbaserade enheter som trådlösa strömsändare eller implementerar mer komplicerade specialanpassade enheter behöver konstruktörer av tillämpningar för styrslingor för bilar och e-mobilitet implementera kompakta lösningar som kan stödja ytterligare funktionalitet utöver de grundläggande funktionerna som felövervakning. En annan referenskonstruktion illustrerar användningen av DSC:n dsPIC33CK med en enda kärna för att leverera en mängd funktioner i en annan viktig tillämpning av digitalt styrd kraftomvandling - trådlös strömöverföring.

Implementering av Qi-kompatibla trådlösa strömsändare

Qi-standarden från Wireless Power Consortium (WPC) för trådlös kraftöverföring på 5 till 15 W, som är allmänt accepterad av tillverkare av smartphones och andra mobila enheter, gör det möjligt för konsumenter att ladda sina Qi-kompatibla enheter genom att helt enkelt placera dem på en yta som har en inbyggd kompatibel trådlös sändare. Qi-sändare för trådlös strömförsörjning, som är inbäddade i bilens inre ytor eller i laddningsprodukter från tredje part, är en bekväm metod för laddning av smartphones som eliminerar förvirringen och den potentiella distraktionen från kabelansluten ström. Referensdesignen för trådlös Qi-strömförsörjning på 15 W från Microchip Technology^[3 ] illustrerar användningen av en dsPIC33 för att förenkla implementeringen av den här typen av delsystem (figur 5).

Figur 5: De inbyggda kringkretsarna i dsPIC33 kan fungera oberoende av varandra för att skynda på viktiga kontrolluppgifter, vilket ger en bearbetningsmarginal för att utföra andra uppgifter som användargränssnitt, kommunikation och säkerhet i mer komplicerade tillämpningar, som t.ex. trådlösa kraftsändare. (Bildkälla: Microchip Technology)

Referensdesignen är baserad på DSC:n dsPIC33CK256MP506 med en kärna från Microchip Technology och använder DSC:ns inbyggda funktioner för att implementera en digital styrslinga. Även om den här konstruktionen är baserad på en topologi med en helbrygga istället för den halvbrygga som används i den resonansomvandlare som nämns ovan, uppfyller enhetens många PWM:er lätt detta ytterligare krav.

Trådlösa strömsändare har vanligtvis flera radiofrekvensspolar (RF) för överföring av ström, och i den här konstruktionen är bryggans växelriktare ansluten via en multiplexer (MUX) till en av tre spolar. På samma sätt som växelriktaren med helbrygga och frontenden för spänningsbehandling, drar den här konstruktionen full nytta av de inbyggda kringkretsarna i dsPIC33:s för att hantera spolens MUX-switchning.

Förutom att styra gatedrivkretsarna MIC4605 och MP14700 från Microchip, har kringkretsarna i dsPIC33 även följande funktioner:

Styra lysdioder för effektindikering via I/O-expandern MCP23008 från Microchip
Tillhandahålla en USB-anslutning via USB-bryggan MCP2221A från Microchip
Stöd för WPC-kompatibel säker lagring genom autentiseringsenheten ATECC608 från Microchip som Microchip distribuerar som en licensierad certifikatutfärdare (CA) som WPC-tillverkare
Tillhandahålla CAN-anslutning med ISO 2622 funktionssäkerhet via en CAN-enhet med flexibel datahastighet (FD) i form av ATA6563 från Microchip

Referenskonstruktionen använder dessutom buck-omvandlaren MCP16331 och en linjära regulatorn MCP1755 från Microchip för att ge stöd för extern batteriström.

Med denna relativt lilla materiallista tillhandahåller referensdesignen en Qi-redo lösning som innehåller alla viktiga funktioner för ett trådlöst strömsystem, inklusive hög effektivitet, utökat laddningsområde, användbart Z-avstånd (avståndet mellan sändare och mottagare), detektering av främmande föremål och stöd för flera implementationer för snabbladdning som används i ledande smartphones. Genom att bygga vidare på denna programvarubaserade konstruktion kan utvecklare enkelt lägga till funktioner som proprietära kommunikationsprotokoll mellan sändare och mottagare och trådlösa anslutningsalternativ som Bluetooth, med flera.

Implementering av kompakta digitala belysningslösningar

De integrerade funktionerna i dsPIC33-enheterna är särskilt viktiga i tillämpningar för fordon och e-mobilitet som kräver att man lägger till en sofistikerad funktion utan att störa fordonets linjer. Tillgången på lysdioder med hög intensitet har gjort det möjligt för fordonstillverkare att ge yttre strålkastare och innerbelysning en större känsla av design.

Utvecklare av dessa delsystem för belysning måste dock vanligtvis pressa in mer funktionalitet i mindre paket och samtidigt stödja branschstandarder som DMX, som är ett gemensamt kommunikationsprotokoll för att styra kedjor av belysningsenheter. Liksom konstruktionen av den trådlösa strömsändaren som nämndes ovan, drar en konstruktion för en kompakt digital belysningslösning^[4] nytta av de inbyggda kringkretsarna i dsPIC33 (figur 6).

Figur 6: DSC:erna dsPIC33 från Microchip Technology gör det möjligt för utvecklare att leverera komplicerade konstruktioner med det minimala format och den minimala materiallista som krävs för att integrera funktionalitet på ett diskret sätt i fordon. (Bildkälla: Microchip Technology)

Precis som i andra digitala krafttillämpningar drar den här digitala belysningsdesignen nytta av de integrerade PWM:erna, analoga komparatorerna och andra kringkretsar i dsPIC33 för att tillhandahålla en komplett, kompakt digital belysningslösning. Precis som i de konstruktionstillämpningar som nämns ovan förlitar sig den här digitala belysningslösningen på processorkraften och kringkretsarnas förmåga att fungera självständigt i DSC:n dsPIC33 för att övervaka och styra de externa enheter som krävs, inklusive kraftenheter, transceivrar, lysdioder med mera. Andra konstruktionsexempel från Microchip visar att den högeffektiva bearbetningskapaciteten i DSC:n dsPIC33 kan hantera mer komplicerade digitala styralgoritmer och avancerade system för motorstyrning.

Implementering av avancerade motorstyrningssystem med en enda dsPIC33 DSC

Prestandan hos DSC:erna dsPIC33 gör att utvecklare kan använda en enda DSC för att hantera exekveringen av den centrala digitala styrslingan samt olika hjälpfunktioner. Faktum är att, en konstruktion med två motorer^[5] från Microchip visar att det går att genomföra givarlös, fältorienterad styrning (FOC) av ett par synkronmotorer med permanentmagnet (PMSM) med hjälp av en dsPIC33CK-DSC med bara en kärna. Nyckeln till den här konstruktionen ligger i att fasförskjuta PWM-signalerna till växelriktarna för respektive motorstyrningskanal, motorstyrning 1 (MC1) och motorstyrning 2 (MC2) (figur 7).

Figur 7: Tack vare dess högeffektiva bearbetningskapacitet och inbyggda kringkretsar kan DSC:n dsPIC33CK med en kärna stödja konstruktioner för styrning av två motorer. (Bildkälla: Microchip Technology)

I detta tillvägagångssätt konfigureras PWM:erna i dsPIC33CK för att generera de nödvändiga vågformerna för respektive motorstyrningskanal och trigga separata ADC:er vid det optimala tillfället. När varje ADC slutfört konverteringen utfärdar den ett avbrott som får dsPIC333CK att utföra FOC-algoritmen för den uppsättningen av avläsningar.

En enda dsPI33CK DSC kan även hantera mer stabila motorstyrningstillämpningar. I en referenskonstruktion för en högeffektiv elektrisk scooter (e-scooter) styr en dsPIC33CK flera FET:ar och gatedrivkretsen MIC4104 från Microchip för en trefas-växelriktare som driver en borstlös likströmsmotor (BLDC) (figur 8).

Figur 8: Med hjälp av en dsPIC33CK med en kärna kan utvecklare implementera ett stabilt delsystem för motorstyrning av en el-scooter med bara några få ytterligare komponenter. (Bildkälla: Microchip Technology)

Referenskonstruktionen för en el-scooter^[6] stöder driftlägen både med och utan givare, eftersom den har förmågan att övervaka BLDC-motorns motriktade elektromotoriska kraft (BEMF) och Hall-effektgivarens utdata. Med en inspänningskälla från 18 till 24 V uppnår konstruktionen en maximal utgångseffekt på 350 W.

I en ytterligare utvidgning av konstruktionen^[7] visar Microchip att man kan lägga till regenerativ inbromsning som används i elbilar och HEV:ar för att återvinna energi när motorn genererar BEMF vid spänningsnivåer som är högre än fordonets batteriförsörjning. Här använder den utökade konstruktionen ett extra stift på dsPIC33CK för att övervaka signalen från bromsen. När inbromsningen detekteras stänger dsPIC33CK först av växelriktarens gatedrivkretsar på primärsidan för att öka den återvunna elektriska energin till en nivå som är högre än DC-bussens spänning, och stänger sedan av gatedrivkretsarna på sekundärsidan för att låta strömmen flöda tillbaka till källan.

Utvecklare kan skala upp den här konstruktionen för att stödja mer funktionalitet genom att ersätta den enkelkärniga DSC:n dsPIC33CK med en dubbelkärnig dsPIC33CH. I en sådan konstruktion kan en kärna hantera BLDC-motorns styrning och funktionalitet för regenerativ bromsning med minimala kodförändringar, medan den andra kan utföra ytterligare säkerhetsfunktioner eller tillämpningar på hög nivå. Med hjälp av den dubbelkärniga dsPIC33CH kan utvecklingsteam för motorstyrning och utvecklingsteam för tillämpningar arbeta separat och sömlöst integrera sin styrning för exekvering på DSC:n.

För anpassade konstruktioner av motorstyrningar tillhandahåller Microchip motorBench Development Suite som är ett grafiskt användargränssnitt (GUI) för att hjälp utvecklare att mer exakt mäta kritiska motorparametrar, justera styrslingor och generera källkod som bygger på Motor Control Application Framework (MCAF) och Motor Control Library från Microchip.

Sammanfattning

Med DSC:erna dsPIC33 DSC:er från Microchip Technology behöver utvecklare relativt få extra komponenter för att implementera ett brett utbud av digitala kraftkonstruktioner för konventionella fordons- och e-mobilitetstillämpningar. Med stöd av en rik uppsättning programvaruverktyg och referenskonstruktioner tillhandahåller de en- och tvåkärniga DSC:erna dsPIC33 en skalbar plattform för snabb utveckling av optimerade lösningar för bl.a. kraftomvandling, trådlös laddning, belysning och motorstyrning, med mera.

Referenser:

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.