Jste zde

Digitální signálové mikrokontrolery nejen pro automobilové aplikace

Stephen Evanczuk, Digi-Key, 18. Leden 2022 - 8:17

Automobilové systémy i systémy pro e-mobilitu závisí na efektivním provozu několika elektronických zařízení, a to včetně bezpečnostních funkcí. Tyto různé aplikace mají jedno společné. Spolehlivost, vysoký výkon a odezvu v reálném čase, a to i v extrémních podmínkách.

Tento článek se bude věnovat rodině digitálních signálových řadičů (DSC) od Microchip Technology, které splňují náročné požadavky ve světě automotive. Součástí nebude chybět ani použití těchto DSC v referenčních návrzích pro automobilové systémy.

Flexibilita je nutností

Ať se jedná o klasická nebo elektrická vozidla, množství elektroniky uvnitř je stále více a více. Ve vozidle je mnoho elektronických systémů jako jsou převodníky napěťové úrovně, bezdrátové nabíjení ve vozidle, digitální osvětlovací systém, složitý systém pro řízení motoru, ovládání krokových motorů až po komplexní systémy regenerativního brzdění v elektrických (EV) či hybridní vozidlech (HEV). Čím více elektroniky ve vozidle, tím větší tlak je na bezpečnost, výkon a kusovník. Systémy v osobních vozidlech se spoléhají na mikrokontrolery, na kterých běží čtyřikrát více softwarového kódu než u komerční letadla.

Množství elektroniky souvisí s vyšším počtem napájecích kanálů, které řeší konverzi mezi jednotlivými úrovněmi napětí. Bezdrátové nabíjení mobilních zařízení ve vozidle, přináší další požadavky na bezdrátové výkonové vysílače. Návrhy osvětlení vozidel se musí zabývat stmíváním palubní desky či interiéru, s možností změny barvy osvětlení a jiných efektů.

Řada digitálních signálových mikrokontrolerů dsPIC33 společnosti Microchip Technology je navržena speciálně pro řešení těchto různorodých požadavků. Nejnovějším členem této rodiny je dsPIC33C, který rozšiřuje možnosti a vlastnosti dsPIC33E. DSC dsPIC33F je zaměřen na sofistikovanější aplikace.

Tyto DSC nabízí vysoký výkon, nízkou latenci, schopnost reagovat v reálném čase při zachování minimálních rozměrů pouzdra. S využitím rozsáhlého ekosystému vývojových desek dsPIC33, referenčních návrhů a nástrojů pro vývoj softwaru lze vybrat jakýkoliv DSC z rodiny dsPIC33 a škálovat tak jednotlivé návrhy pro uspokojení všech požadavků jednotlivých systémů použitých jak v klasických tak elektrických vozidlech.

Široká hardwarová základna

Řada dsPIC33C je navržena speciálně pro snížení latence a rychlost provádění vysokorychlostních softwarových řídicích smyček, které jsou základem mnoha automobilových systémů. DSP této řady obsahují vysokorychlostní registry s těsně propojenými periferiemi včetně několika analogově-digitálních (ADC) a digitálně-analogových převodníků (DAC), analogových komparátorů a operačních zesilovačů.

Díky 16 x 16 násobičky ( multiply-accumulate (MAC)), zero-overhead looping a barrel shifting ( Barrel shifter je digitální obvod, který může posunout datové slovo o zadaný počet bitů bez použití jakékoli sekvenční logiky) je DSC schopno zajistit vysokorychlostní provádění řídicí smyčky.

Mezi periferní funkce patří například PWM s rozlišením 150 ps, časovače capture/compare/PWM,  trigger generátor nebo uživatelsky programovatelná konfigurovatelná logická buňka umožňující nezávislý provoz přesných řídicích smyček. To vše je vměstnáno do pouzdra o rozměru 5 x 5 mm. A to není vše. Tyto mikrokontrolery podporují komunikační rozhraní Controller Area Network (CAN), Local Interconnect Network (LIN) a Digital Multiplex (DMX), které se používají v automobilových systémech. DSC jsou k dispozici v různých velikostech paměti jak v jednojádrových tak i dvoujádrových verzích. To je výhoda pro škálovatelnost pro pokročilé automobilové aplikace.

Všechny DSC řady dsPIC33C jsou odolné vůči drsnému automobilovému prostředí a mají kvalifikaci dle AEC-Q100 Grade 0. Jsou schopné splnit náročné požadavky pro provoz pod kapotou, jelikož jejich provozní teplota se pohybuje od –40 °C do +150 °C.

Vybraní členové rodiny dsPIC33 jsou připraveni na funkční bezpečnost, jelikož jsou ve shodě s ISO 26262 (ASIL A nebo ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) a IEC 60730 (třída B). Mají integrovány bezpečnostní hardwarové funkce jako jsou časovače Deadman, watch dog, fail-safe clock monitoring, paměť RAM, vestavěný autotest (BIST) a kód pro opravu chyb.

Kompilátory MPLAB XC C od Microchipu mají certifikaci TÜV SUD pro funkční bezpečnost a k dispozici jsou také knihovny pro diagnostiku. Microchip poskytuje FMEDA analýzu a bezpečnostní manuály potřebné jako součást procesu certifikace bezpečnosti.

Hardwarové bezpečnostní prvky a vývojové schopnosti potřebné pro certifikaci funkční bezpečnosti jsou součástí bohatého vývojového ekosystému založeném na dsPIC33. Microchip staví na svém MPLAB X integrovaném vývojovém prostředí (IDE) a nabízí rozsáhlou sadu návrhových nástrojů a knihoven pro různé aplikační oblasti.

Aby Microchip ještě více urychlil vývoj s rodinou dsPIC33, nabízí bohatý ekosystém vývojových desek s dsPIC33 a také mnoho podrobných informací včetně white paperů, aplikačních poznámek a referenčních návrhů přímo pro automobilový průmysl a e-mobilitu, včetně bezdrátového nabíjení, digitálního osvětlení, přeměny energie a řízení motoru. Tyto referenční návrhy a související software může sloužit také jako výchozí bod pro implementaci vlastních návrhů.

Implementace přesných digitálních regulačních smyček pro převod napětí

Řídicí smyčky jsou základem mnoha automobilových aplikací. Například se používají pro konverzi napěťových úrovní. V automobilových systémech musí být napětí 200-800 voltové baterie bezpečně a efektivně sníženo na úroveň 12V nebo 48V potřebnou k provozu vnějšího a vnitřního osvětlení a k napájení motorů stěračů, oken, ventilátorů či čerpadel.

200 wattový DC / DC LLC (tří reaktivní prvky: dva induktivní a jeden kapacitní) rezonanční referenční převodník se spoléhá na jeden digitální signálový mikrokontroler dsPIC33, který využívá jeden kanál PWM pro řízení MOSFETového polomůstku v řídicí smyčce (obrázek 1).

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

Na obrázku 2 je rezonanční transformátor, který izoluje vysoké napětí primární strany (černá čára) od sekundárního 12 voltového zdroje (modrá čára) pro měniče MOSFET (D) a 3V napájení pro dsPIC33 DSC a další analogové (A) komponenty.

Obrázek 2: dsPIC33 DSC využívá své integrované PWM a periferní funkce k ovládání externích MOSFETů (D) a dalších analogových (A) komponent. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

dsPIC33 využívá přerušení ADC k získání výstupního napětí, které je použito v softwarovém proporcionálně-integrálně-derivačním (PID) regulátoru. Další přerušení ADC slouží ke snímání teploty, zatímco analogové komparátory dsPIC33 detekují nadproud a přepětí.

Provádění procesu PID regulace a souvisejících úloh řízení regulační smyčky nevytíží mikrokontroler na maximum a pořád zůstává dostatečný výkon pro monitorovací úlohy jako je monitoring teploty, monitoring poruch a komunikaci. To vše v rámci přímočarého zpracování firmware (obrázek 3).

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

Pro specializovanější digitální napájení je možné využít sadu Digital Power Design Suite. Jedná se o nástroj pro návrh koncepce až po vytvoření firmware pro cílový dsPIC DSC.

Na základě hardwarových schopností dsPIC DSC lze použít nástroj Digital Compensator Design Tool (DCDT) k analýze řídicích smyček a MPLAB Code Configurator (MCC) ke generování kódu, který používá optimalizované funkce assembleru v knihovnách Microchip Compensator Libraries (obrázek 4) .

Obrázek 4: Vývojáři mohou čerpat z komplexního řetězce nástrojů od Microchipu a urychlit tak vývoj softwarových řídicích smyček v digitálních napájecích subsystémech. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Referenční návrh s jednojádrovým DSC dsPIC33CK obsahuje bohatou sadu funkcí pro bezdrátový přenos energie.

Implementace bezdrátového nabíjení vyhovující standardu Qi

Standard Wireless Power Consortium (WPC) Qi pro bezdrátový přenos energie o výkonu 5 až 15 wattů je široce používán výrobci chytrých telefonů a dalších mobilních zařízení. Umožňuje spotřebitelům nabíjet jejich zařízení s podporou Qi pouhým umístěním na jakýkoli povrch, který je vybaven bezdrátovou dobíjecí technologií Qi. Referenční návrh bezdrátového napájení Qi s výkonem 15 wattů od Microchip Technology použitím dsPIC33 se značně zjednoduší implementace tohoto typu systému (obrázek 5).

Obrázek 5: dsPIC33 zjednodušuje klíčové řídicí úlohy pro bezdrátové nabíjecí systémy. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Referenční návrh založený na jednojádrovém DSC dsPIC33CK256MP506ií, který řídí plný můstek pomocí vícenásobné PWM. Bezdrátové nabíjecí systémy obsahují více radiofrekvenčních (RF) cívek pro přenos energie a v tomto provedení je můstkový střídač připojen přes multiplexer (MUX) k jedné ze tří cívek. Stejně jako full-bridge invertor a front-end pro úpravu napětí, i tento design plně využívá výhod integrovaných periferií dsPIC33 pro správu přepínání MUX k jednotlivým cívkám.

Kromě driverů MIC4605 a MP14700 Microchip nabízí i jiné integrované obvody, které lze připojit k dsPIC33:

  • Ovládejte světelné diody pomocí I/O expandéru MCP23008
  • Poskytněte připojení USB prostřednictvím USB Bridge MCP2221A
  • Podpora zabezpečeného úložiště s WPC prostřednictvím ATECC608, které Microchip poskytuje jako licencovaný výrobce WPC Certifikační autorita (CA)
  • Konektivita CAN s funkční bezpečností podle ISO 2622 prostřednictvím ATA6563 CAN s flexibilní datovou rychlostí (FD)

Uvedený referenční design obsahuje Buck převodník MCP16331 a lineární převodník MCP1755, který poskytuje pomocné napájení z baterie.

Referenční návrh bezdrátového napájecího systému Qi nabízí vysokou účinnost, rozšířenou nabíjecí oblast, přijatelnou vzdálenost Z (vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem), detekci cizích předmětů a podporu rychlého nabíjení. Na základě tohoto referenčního zapojení lze snadno přidat další funkce, jako je bezdrátové připojení pomocí Bluetooth.

Řízení osvětlení pomocí dsPIC33

Vysoce výkonové LED diody umožnila výrobcům vozidel vytvořit jakýkoliv design vnějších světlometů a vnitřního osvětlení. Vývojáři světelných systémů bojují také s každým kouskem místa a zároveň musí řešit podporu průmyslových standardů, jako je DMX, který poskytuje společný komunikační protokol pro ovládání celých osvětlovacích řetězců. Stejně jako výše zmíněná konstrukce bezdrátového nabíjení i návrh kompaktního digitálního řešení osvětlení využívá integrované periferie dsPIC33 (obrázek 6).

Obrázek 6: DSC dsPIC33 od Microchip Technology je vhodná také pro řízení osvětlení nejen v automobilech. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Pro řízení se využívá PWM, analogové komparátory a další periferie dsPIC33. Stejně jako u výše zmíněných referenčních zapojeních i zde dsPIC33 DSC poskytuje dostatečný výpočetní výkon a zároveň je schopen pracovat nezávisle na monitoringu a ovládání externích integrovaných obvodů jako jsou různé transceivery, LED diody a další.

Řízení motoru pomocí jediného dsPIC33 DSC

Výkon dsPIC33 DSC je dostatečný pro řízení dvou motorů pomocí bezsenzorového řízení FOC nebo dvojici synchronních motorů s permanentními magnety (PMSM). Klíčem je fázový posun signálů PWM do měničů pro každý kanál řízení motoru, řízení motoru 1 (MC1) a řízení motoru 2 (MC2) (obrázek 7).

Obrázek 7: Díky vysoce výkonnému zpracování a integrovaným periferiím může jednojádrový dsPIC33CK DSC řídit dva motory. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

PWM dsPIC33CK jsou nakonfigurovány tak, aby generovaly potřebné řídící signály pro každý kanál motoru a spouštěly samostatné ADC v optimálním okamžiku. Když každý ADC dokončí převod, vyšle přerušení, které způsobí, že dsPIC333CK spustí algoritmus FOC pro danou sadu čtení.

Jediný dsPI33CK DSC zvládne i robustnější aplikace řízení motoru. V referenčním designu pro výkonný elektrický skútr (E-koloběžka) dsPIC33CK řídí několik FET tranzistorů pomocí MIC4104 pro třífázový invertor, který pohání bezkomutátorový stejnosměrný (BLDC) motor (obrázek 8).

Obrázek 8: Pomocí jednojádrového dsPIC33CK lze implementovat robustní systém řízení motoru e-koloběžky jen s několika přidaných externích komponent. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Referenční design e-skútru podporuje bezsenzorové i senzorové provozní režimy, protože má schopnost monitorovat zadní elektromotorickou sílu (BEMF) motoru BLDC a číst informace z Hallového čidla. Při použití zdroje vstupního napětí od 18 do 24 voltů lze dosáhnout maximálního výstupního výkonu 350 wattů.

Rozšířením tohoto referenčního návrhu je přidání rekuperačního brzdění používaného v EV a HEV k rekuperaci energie, když motor generuje BEMF při úrovních napětí vyšších, než je napájení baterie vozidla.

Jeden pin dsPIC33CK je použit pro sledování signálu přicházejícího z brzdy. Když je detekováno brzdění, dsPIC33CK nejprve vypne hradla na horní straně invertoru, aby posílila rekuperovanou elektrickou energii na úroveň vyšší, než je napětí napájecí, a poté vypne hradla na nízké straně, aby proud mohl proudit zpět do zdroje.

Další rozšíření lze provést nahrazením jednojádrového dsPIC33CK dvoujádrovým dsPIC33CH DSC. Jedno jádro řídí ovládání motoru BLDC a funkci regenerativního brzdění s minimálními změnami kódu, zatímco druhé jádro provádí další bezpečnostní funkce nebo aplikace na vyšší úrovni.

Pro vlastní návrhy řízení motoru poskytuje Microchip motorBench Development Suite. Jedná se o sadu nástrojů grafického uživatelského rozhraní (GUI), která pomáhá přesněji měřit důležité parametry motoru, ladit regulační smyčky a generovat zdrojový kód založený na platformě Microchip Motor Control Application Framework (MCAF) a knihovně pro řízení motorů.

Závěr

Při použití dsPIC33 DSC od Microchip Technology je potřeba jen relativně málo dalších komponent k implementaci široké škály aplikací. Jednojádrové a dvoujádrové dsPIC33 DSC jsou podporovány bohatou sadou softwarových nástrojů a referenčních návrhů, a tím poskytují škálovatelnou platformu pro rychlý vývoj systému pro přeměnu napájecích úrovní, bezdrátového nabíjení, řízení osvětlení nebo ovládání motoru a mnoho dalších aplikací.

Reference:

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk.

Hodnocení článku: 

Související články