Slik kan systemer for kjøretøy og e-mobilitet bygges bedre ved å bruke digitale signalstyringssystemer

Av Stephen Evanczuk

Bidrag fra DigiKeys nordamerikanske redaktører

2021-11-17

Systemer for både konvensjonelle kjøretøy og e-mobilitet er avhengige av effektiv drift av et stort antall elektroniske enheter for praktiske funksjoner samt oppgavekritisk funksjonssikkerhet. Samtidig som de presenterer et bredt mangfold av krav, krever disse ulike konstruksjonene en grunnleggende evne til å fungere under ekstreme forhold, og samtidig levere pålitelig ytelse med høy ytelse i sanntid.

Som et resultat står utviklere overfor et økende behov for en konsekvent, kraftig, godt støttet og skalerbar plattform som kan bidra til å forenkle konstruksjon og utvikling av et voksende utvalg av bruksområder for kjøretøy og e-mobilitet.

Denne artikkelen omhandler en familie digitale signalstyringer (DSC – digital signal controllers) fra Microchip Technology som kan oppfylle disse kravene, og den beskriver bruken av disse DSC-ene i referansekonstruksjoner for funksjoner som er avgjørende i kjøretøy- og e-mobilitetssystemer.

Mangfoldige konstruksjonsutfordringer krever fleksible løsninger

Enten utviklere konstruerer for konvensjonelle eller elektriske kjøretøy, må de være i stand til å håndtere en voksende liste av bruksområder, som omfatter delsystemer for strømomforming, trådløs lading i kjøretøy, digitale belysningssystemer og motorstyringssystemer, som spenner fra relativt enkle trinnmotorer til komplekse regenerative bremsesystemer i elektriske kjøretøy (EV) og hybridelektriske kjøretøy (HEV). Sammen med oppgavekritiske krav til funksjonssikkerhet, fortsetter kravene til fysisk konstruksjonsstørrelse og materialliste (bom) å øke i viktighet etter hvert som kjøretøyprodusenter arbeider for å imøtekomme forbrukeretterspørsel og konkurransepress for økt sikkerhet, bekvemmelighet, funksjonalitet og ytelse.

Som en respons på disse kravene har bransjen allerede vendt seg kraftig mot digitale løsninger for nesten alle delsystemer i kjøretøy. Delsystemer i konvensjonelle passasjerkjøretøy er allerede avhengig av mikrokontrollere (MCU) som kjører fire ganger mer programvarekode enn kommersielle luftfartøyer^[1].

Med utviklende etterspørsel og konkurransepress kan imidlertid eldre mikrokontrollerløsninger komme til kort når det gjelder å oppfylle de mange kravene som konstruktører av kjøretøy nå står overfor. Behovet for forskjellige strømskinner i flere elektroniske delsystemer og tilhørende funksjonalitet for høyspent DC-DC-omforming, spesielt i elektriske kjøretøy, krever mer avanserte digitale styringsmuligheter. Andre bruksområder, for eksempel trådløs lading av mobile enheter i kjøretøy, introduserer en rekke nye konstruksjonskrav for flerspolede trådløse effektsendere som er kompatible med industristandardiserte effektmottakere som integreres i flere forbrukerenheter. Lyskonstruksjoner i kjøretøy må adressere tekniske egenskaper som dimming, temperatur, komponentaldring, med mer, for å levere mer lyssterke frontlys, behagelige farger og dimmeeffekter i dashbordene. Til slutt er nøyaktige, digitalt styrte motorer allment utbredt selv i konvensjonelle kjøretøy, og leverer selvsagt det funksjonelle grunnlaget for e-mobilitet.

Microchip Technology sin dsPIC33 DSC-familie er konstruert spesielt for å håndtere disse ulike kravene ved hjelp av enheter i samme familie som har spesialiserte funksjonsevner. Det nyeste medlemmet av denne familien, dsPIC33C, utvider ytelsen og mulighetene som er tilgjengelige i dsPIC33E og dsPIC33F DSC-ene for utviklere som er mer fokuserte på avanserte konstruksjoner.

Disse DSC-ene, som er basert på en digital signalprosessorkjerne (DSP-kjerne), kombinerer enkelheten til en MCU med ytelsen til en DSP, slik at de stadig strengere kravene til høy ytelse, lav latenstid, sanntidsegenskaper, minimal fysisk størrelse og materialliste kan møtes. Ved å bruke Microchip sitt omfattende økosystem av dsPIC33-utviklingskort, referansekonstruksjoner og programvareutviklingsverktøy, kan utviklere bruke ulike medlemmer av dsPIC33-familien når de skal skalere konstruksjonene sine, slik at de kan levere et bredt spekter av konstruksjoner som er grunnleggende i kjøretøy- og e-mobilitetssystemer.

En mer effektiv maskinvareinnfatning for kjøretøy- og e-mobilitetskonstruksjoner

Microchip sin dsPIC33C-familie er spesialkonstruert for å redusere latenstid og påskynde eksekvering av raske programvarebaserte digitale styringssløyfer som er underliggende i mange delsystemer i kjøretøy. For å kunne levere denne muligheten, integrerer disse enhetene en DSP-motor, høyhastighetsregistre og tett koblet periferiutstyr, inkludert flere analog-til-digital-omformere (ADC-er), digital-til-analog-omformere (DAC-er), analoge komparatorer og operasjonsforsterkere.

Funksjoner som DSP-motorens enkeltsyklus 16 x 16 multiplikasjon-akkumulering (MAC – multiply-accumulate) med 40-bits akkumulator, sløyfe med null overhead (responstid før utførelse av instruksjon) og barrel-forskyvning sikrer eksekvering av digitale styringsløyfer med høy hastighet. Periferifunksjoner som pulsbreddemodulatorer (PWM) med 150 picosekunders (ps) oppløsning, innhente/sammenligne/PWM (CCP) timere, periferi-utløsergenerator og brukerprogrammerbare, konfigurerbare logiske celler muliggjør uavhengig drift av nøyaktige styringssløyfegrensesnitt.

Den omfattende integrerte funksjonaliteten til disse enhetene, som kommer i kapslinger så små som 5 x 5 millimeter (mm), hjelper utviklere med å oppnå minimal fysisk størrelse og materialliste for å oppfylle kravene til mindre enheter i tynne kjøretøysystemer. Disse enhetene forenkler kjøretøykonstruksjonene ytterligere og støtter flere kommunikasjonsgrensesnitt, deriblant CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) og DMX (Digital Multiplex) som brukes i avanserte kjøretøysystemer. I tillegg kommer disse enhetene med forskjellige minnestørrelser i konfigurasjoner med både én og to kjerner, noe som gir den skalerbare løsningen som kreves for avanserte kjøretøy- og e-mobilitetskonstruksjoner.

Disse delene er beregnet for røffe kjøretøyomgivelser, og de er AEC-Q100 klasse 0-kvalifisert og i stand til å oppfylle de strenge kravene til drift under panseret, med støtte for et utvidet temperaturområde som spenner fra –40 °C til +150 °C. Det som er viktigst for oppgavekritiske kjøretøykonstruksjoner, er at utvalgte medlemmer i dsPIC33-familien er funksjonssikkerhetsklare slik at de kan forenkle samsvar med sikkerhetsspesifikasjoner, for eksempel ISO 26262 (ASIL A eller ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) og IEC 60730 (klasse B). Disse medlemmene i dsPIC33-familien integrerer spesialiserte sikkerhetsmaskinvarefunksjoner, for eksempel en dødmannstimer, overvåkningstimer, feilsikker klokkeovervåking, RAM (random access memory), innebygd selvtest (BIST) og feilkorrigeringskode.

For programvareutvikling er Microchip sine MPLAB XC C-kompilatorer TÜV SUD-sertifisert for funksjonssikkerhet, og i noen tilfeller er diagnostiske programvarebiblioteker tilgjengelige. I tillegg tilbyr Microchip tilknyttede FMEDA-rapporter ( FMEDA – Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis) og sikkerhetshåndbøker som trengs som en del av prosessen for sikkerhetssertifisering.

Funksjonene for maskinvaresikkerhet og utviklingsmulighetene som trengs for sertifisering av funksjonssikkerhet er bare én del av et omfattende utviklingsøkosystem som støtter dsPIC33-basert konstruksjon for både konvensjonelle og elektriske kjøretøy. Microchip bygger på MPLAB X Integrated Development Environment (IDE), og har et omfattende sett med spesialiserte konstruksjonsverktøy og biblioteker for forskjellige bruksområder, slik det er beskrevet nedenfor.

For å ytterligere bidra til utviklingen med dsPIC33-familien, tilbyr Microchip et rikt økosystem av dsPIC33-utviklingskort samt nedlastbare konstruksjonsressurser som omfatter rapporter/utredninger, installasjonsnotater og referansekonstruksjoner. Blant disse ressursene finnes flere dsPIC33C-referansekonstruksjoner som tar for seg flere viktige bruksområder for kjøretøy og e-mobilitet, deriblant trådløs lading, digital belysning, strømomforming og motorstyring. I tillegg til å demonstrere bruken av en dsPIC33C DSC i hvert område, kan disse referansekonstruksjonene og den tilknyttede programvaren også fungere som utgangspunkt for implementering av egendefinerte konstruksjoner.

Implementering av digitale presisjonsstyringssløyfer for strømomforming

Styringssløyfer er kjernen i mange kjøretøy- og e-mobilitetskonstruksjoner, og en av de viktigste bruksområdene i disse konstruksjonene dekker det grunnleggende behovet for strømomforming. Effektiv DC-DC-omforming er fortsatt viktig i konvensjonelle kjøretøysystemer, og er nødvendig i elektriske og hybridelektriske kjøretøy med høy spenning. I disse systemene må batterispenninger på mellom 200 og 800 volt bringes ned til 12 eller 48 volt på en trygg og effektiv måte for å fungere med utvendig og innvendig belysning og motorer for vindusviskere, vinduer, vifter og pumper.

I en 200 watt (W) referansekonstruksjon for en DC-DC (likestrøm-likestrøm) LLC-resonansomformer (tre reaktive elementer: to induktive og en kapasitiv)^[2], muliggjør en enkelt dsPIC33-enhet en kompakt digital løsning for ikke-lineær strømomforming ved å bruke en av de integrerte PWM-ene til å drive halvbro-MOSFET-er i styringssløyfen (figur 1).

Skjema over Microchip Technology sin referansekonstruksjon for en DC-DC LLC-resonansomformer Figur 1: Referansekonstruksjonen for DC-DC LLC-resonansomformeren fra Microchip Technology bygger på en enkelt dsPIC33 DSC for å digitalt håndtere styringssløyfen i hjertet av en strømomformerkonstruksjon. (Bildekilde: Microchip Technology)

I figur 2 isolerer resonansomformeren den høye spenningen på primærsiden (svarte linjer) fra den sekundære 12-volts forsyningen (blå linjer) for MOSFET-driverne (D) og 3-volts forsyningen for dsPIC33 DSC-en og andre analoge (A) komponenter.

Figur 2: Med sitt spesialiserte periferiutstyr bidrar dsPIC33 DSC-er til med å forenkle konstruksjoner og redusere antall deler, her ved hjelp av sine integrerte PWM-er og periferifunksjoner for å styre eksterne MOSFET-er (D) og andre analoge (A) komponenter. (Bildekilde: Microchip Technology)

I denne konstruksjonen bruker dsPIC33 en grunnleggende avbruddsstyrt programvarekonstruksjon til å håndtere den digitale styringssløyfen. Her brukes et ADC-avbrudd til å innhente utgangsspenningen som brukes i programvarens PID-styring (PID – proportional-integral-derivative). Et annet ADC-avbrudd støtter temperaturføling, mens dsPIC33 sine analoge komparatorer støtter deteksjon av overstrøms- og overspenningshendelser. Utførelsen av PID-styringsprosessen og de tilknyttede administreringsoppgavene for styringssløyfen gir rikelig med prosesseringspotensiale for rengjørings- og overvåkingsoppgaver, som omfatter temperaturovervåking, feilovervåking og kommunikasjon, alt i en ukomplisert prosesseringssekvens i fastvaren (figur 3).

Skjema over Microchip dsPIC33 DSC-ens DSP-motor med høy ytelse Figur 3: dsPIC33 DSC-ens høyytelses DSP-motor og tett koblede periferiutstyr gjør det mulig for utviklere å implementere komplekse digitale styringssløyfer med enklere kode. (Bildekilde: Microchip Technology)

For utviklere som ønsker å bygge mer spesialiserte digitale effektløsninger, støtter Microchip sin Digital Power Design Suite konstruksjoner fra idéstadiet til generering av fastvare for et dsPIC DSC-mål. Ved hjelp av maskinvarefunksjonene til dsPIC DSC-en som utgangspunkt, bruker utviklere DCDT (Digital Compensator Design Tool) til å analysere styringssløyfer og MCC (MPLAB Code Configurator) til å generere kode som bruker optimaliserte assembly-kodefunksjoner i Microchip Compensator Libraries (figur 4).

Skjema over Microchip sin omfattende verktøykjede Figur 4: Utviklere kan bruke Microchip sin omfattende verktøykjede som utgangspunkt for å fremskynde utviklingen av optimaliserte programvarebaserte styringssløyfer i hjertet av digitale effektsystemer. (Bildekilde: Microchip Technology)

Enten de bygger standardbaserte enheter som trådløse effektsendere eller implementerer mer komplekse tilpassede enheter, må konstruktører av styringssløyfer for kjøretøy- og e-mobilitetskonstruksjoner implementere kompakte løsninger som kan støtte ytterligere funksjonalitet utover basisfunksjoner som feilovervåking. En annen referansekonstruksjon illustrerer bruken av en dsPIC33CK DSC med enkeltkjerne til å levere et omfattende sett med funksjoner i et annet viktig bruksområde av digitalt styrt strømomforming – trådløs strømoverføring.

Implementering av QI-kompatible trådløse strømsendere

Med WPC (Wireless Power Consortium) Qi-standarden for trådløs strømoverføring på 5 til 15 watt, som er mye brukt av produsenter av smarttelefoner og andre mobile enheter, kan forbrukere lade de Qi-kompatible enhetene sine ved å plassere dem på en hvilken som helst overflate med en innebygd kompatibel trådløs sender. Qi trådløse strømforsyninger er innebygd i overflater i kjøretøy eller tredjeparts ladeprodukter, og gir en praktisk måte å lade smarttelefoner på som eliminerer forvirring og potensiell distraksjon relatert til kablede strømtilkoblinger. Microchip Technology sin 15-watts referansekonstruksjon for Qi trådløs strøm^[3] illustrerer hvordan en dsPIC33 kan brukes til å forenkle implementeringen av denne delsystemtypen (figur 5).

Figur 5: Det integrerte periferiutstyret til dsPIC33 kan fungere uavhengig av hverandre for å øke hastigheten til viktige styringsoppgaver, noe som gir en behandlingsmargin for utførelse av andre oppgaver, for eksempel brukergrensesnitt, kommunikasjon og sikkerhet i mer komplekse konstruksjoner som trådløse strømforsyninger. (Bildekilde: Microchip Technology)

Referansekonstruksjonen er basert på en dsPIC33CK256MP506 DSC med enkeltkjerne fra Microchip Technology, og bruker de integrerte funksjonene i DSC-en til å implementere en digital styringssløyfe. Selv om denne konstruksjonen er basert på en fullbro-topologi i stedet for halvbroen som brukes i resonansomformeren nevnt ovenfor, oppfyller PWM-ene til denne enheten enkelt dette ekstra kravet.

Trådløse effektsendere forsyner vanligvis flere radiofrekvensspoler (RF-spoler) for overføring av strøm, og i denne konstruksjonen er bro-omformeren tilkoblet gjennom en multiplexer (MUX) til én av tre spoler. I likhet med fullbro-omformeren og spenningsbehandlingen i front, drar denne konstruksjonen nytte av det integrerte periferiutstyret til dsPIC33 for å håndtere spole-MUX-veksling.

I tillegg til å styre MIC4605- og Mp14700-portdriverne fra Microchip, støtter dsPIC33 periferiutstyr:

Kontroller strømindikatorens lysdioder ved å bruke en MCP23008 I/O-utvider fra Microchip
Gi USB-konnektivitet gjennom en MCP2221A USB-broenhet fra Microchip
Gi støtte for WPC-kompatibel sikker lagring ved å bruke en ATECC608-autentiseringsenhet fra Microchip som tilbys som en lisensiert WPC-produsent CA (Certificate Authority)
Gi CAN-konnektivitet som er kompatibel med ISO 2622-funksjonssikkerhet ved å bruke en ATA6563 CAN fleksibel datarate (FD)-enhet fra Microchip

I tillegg bruker referansekonstruksjonen MCP16331-nedtransformeringsomformeren og den lineære MCP1755-regulatoren fra Microchip til å støtte hjelpebatteristrøm.

Ved hjelp av denne relativt lille materiallisten, tilbyr referansekonstruksjonen en Qi-klar løsning som har alle de viktigste funksjonene til et trådløst strømsystem, deriblant høy virkningsgrad, utvidet ladeområde, nyttig Z-avstand (avstanden mellom sender og mottaker), detektering av fremmedlegemer og støtte for flere hurtigladingsimplementeringer som brukes i ledende smarttelefoner. Ved å bygge videre på denne programvarebaserte konstruksjonen, kan utviklere enkelt legge til funksjoner som proprietære kommunikasjonsprotokoller mellom sender og mottaker, og trådløse tilkoblingsalternativer som for eksempel Bluetooth.

Implementering av kompakte digitale belysningsløsninger

Den integrerte funksjonaliteten til dsPIC33-enheter er spesielt viktig i kjøretøy- og e-mobilitetskonstruksjoner som krever at det legges til visse sofistikerte funksjoner uten at kjøretøyets linjer forstyrres. Tilgjengeligheten av høyintensive lysdioder har gjort det mulig for kjøretøyprodusenter å gi en forsterket designfølelse til frontlys og innvendig belysning.

Utviklere av disse belysningsdelsystemene må imidlertid vanligvis integrere mer funksjonalitet i mindre kapslinger, samtidig som de må støtte industristandarder som DMX, noe som gir en felles kommunikasjonsprotokoll for styring av kjeder med belysningsenheter. I likhet med konstruksjonen for trådløs strømoverføring som ble nevnt ovenfor, drar en konstruksjon for en kompakt digital belysningsløsning^[4] nytte av det integrerte periferiutstyret til dsPIC33 (figur 6).

Figur 6: Med Microchip Technology sine dsPIC33 DSC-er kan utviklere levere komplekse konstruksjoner med den minste fysiske størrelsen og materiallisten som er nødvendig for å integrere diskret funksjonalitet i kjøretøy. (Bildekilde: Microchip Technology)

I likhet med andre bruksområder med digital strøm, drar denne digitale belysningskonstruksjonen nytte av dsPIC33 sin integrerte PWM, analoge komparatorer og annet periferiutstyr, for å levere en komplett, kompakt digital belysningsløsning. I likhet med bruksområdene nevnt ovenfor, er denne digitale belysningsløsningen avhengig av dsPIC33 DSC-ens prosessorkraft og evne til å fungere uavhengig av hverandre for å overvåke og styre det nødvendige settet med eksterne enheter, deriblant effektenheter, transceivere, lysdioder og mer. Andre eksempler på Microchip-konstruksjoner demonstrerer den kraftige prosesseringsevnen til dsPIC33 DSC-er når det gjelder håndtering av mer komplekse digitale styringsalgoritmer og avanserte motorstyringssystemer.

Implementering av avanserte motorstyringssystemer med én enkelt dsPIC33 DSC

Med ytelsen til dsPIC33 DSC-er kan utviklere bruke én enkelt DSC til å håndtere utførelsen av den viktige digitale styringssløyfen, samt ulike hjelpefunksjoner. Faktisk demonstrerer en Microchip-konstruksjon med to motorer^[5] implementering av sensorfri, feltorientert styring (FOC – field-oriented control) av et par synkronmotorer med permanente magneter (PMSM – permanent magnet synchronous motor) ved å bruke kun én dsPIC33CK DSC med enkeltkjerne. Løsningen for denne konstruksjonen ligger i de faseforskyvende PWM-signalene til likeretterne for hver motorstyringskanal, motorstyring 1 (MC1) og motorstyring 2 (MC2) (figur 7).

Figur 7: Takket være sin prosessering med høy ytelse og integrerte periferiutstyr, kan én dsPIC33CK DSC med enkeltkjerne støtte styringskonstruksjoner med to motorer. (Bildekilde: Microchip Technology)

I denne tilnærmingen konfigureres dsPIC33CKs PWM-ene til å generere de nødvendige bølgeformene for hver motorstyringskanal og utløse separate ADC-er i det optimale øyeblikket. Når hver ADC fullfører konverteringen, utsteder den et avbrudd som fører til at dsPIC333CK-en kjører FOC-algoritmen for dette avlesningssettet.

En enkelt dsPI33CK DSC kan også håndtere mer robuste motorstyringssystemer. I et referansedesign for en høyytelses elektrisk sparkesykkel (E-scooter), kontrollerer en dsPIC33CK de flere FET-ene og MicrochipMIC4104 portdrivere for en trefase omformer som driver en børsteløs DC (BLDC) motor (Figur 8).

Figur 8: Ved å bruke en dsPIC33CK med enkeltkjerne, kan utviklere implementere et robust delsystem for motorstyring av elektriske sparkesykler med bare noen få ekstra komponenter. (Bildekilde: Microchip Technology)

Referansekonstruksjonen for elektriske sparkesykler^[6] støtter både sensorfrie og sensorbetjente moduser, ettersom den har evnen til å overvåke den motelektromotorisk kraften (BEMF – back electromotive force) til BLDC-motoren samt sensorutgangens Hall-effekt. Ved å bruke en inngangsspenningskilde på mellom 18 og 24 volt, oppnår konstruksjonen en maksimal utgangseffekt på 350 watt.

Microchip tar denne konstruksjonen^[7] ett skritt videre, og demonstrerer regenerativ bremsing i elektriske og hybridelektriske kjøretøy for å gjenvinne energi når motoren genererer BEMF ved spenningsnivåer som er høyere enn kjøretøyets batteriforsyning. Her bruker den utvidede konstruksjonen en ekstra dsPIC33CK-pinne til å overvåke signalet som kommer fra bremsen. Når bremsing detekteres, slår dsPIC33CK-en først av vekselretterens høysideporter for å øke den gjenvunne elektriske energien til et nivå som er høyere enn DC-bussens spenning, og slår deretter av lavsideportene for å gjøre det mulig for strømmen å føres tilbake til kilden.

Utviklere kan skalere denne konstruksjonen for å støtte økt funksjonalitet ved å erstatte den enkjernede dsPIC33CK-en med en tokjernet dsPIC33CH DSC. I en slik konstruksjon kan en av kjernene administrere BLDC-motorstyringen og den regenerative bremsefunksjonaliteten med minimale kodeendringer, mens den andre kan utføre ytterligere sikkerhetsfunksjoner eller installasjoner på høyt nivå. Ved å bruke dsPIC33CH med to kjerner, kunne utviklingsteamene for henholdsvis motorstyring og konstruksjon arbeide hver for seg, og sømløst integrere styringen for eksekvering på DSC-en.

For tilpassede motorstyringskonstruksjoner leverer Microchip sin motorBench Development Suite et GUI-verktøy (grafisk brukergrensesnitt-verktøy) som gjør det enklere for utviklere å måle viktige motorparametere på en mer nøyaktig måte, justere styringssløyfer og generere kildeoppbygging på Microchip sin MACF (Motor Control Application Framework) og motorstyringsbibliotek (Motor Control Library).

Konklusjon

Ved å bruke Microchip Technology sine dsPIC33 DSC-er, trenger utviklere relativt få ekstra komponenter for å implementere et bredt spekter av digitale strømkonstruksjoner for konvensjonelle kjøretøy og e-mobilitetsinstallasjoner. dsPIC33 DSC-er med én eller to kjerner leverer en skalerbar plattform, som støttes av et omfattende sett med programvareverktøy og referansekonstruksjoner, for rask utvikling av optimaliserte løsninger for blant annet strømomforming, trådløs lading, belysning og motorstyring.

Referanser:

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.