Konstruowanie lepszych systemów motoryzacyjnych i elektromobilności przy wykorzystaniu cyfrowych kontrolerów sygnałów

Zarówno konwencjonalne systemy motoryzacyjne, jak i systemy elektromobilności zależą od efektywnego działania niezliczonych urządzeń elektronicznych realizujących funkcje komfortu, jak również krytyczne funkcje bezpieczeństwa funkcjonalnego. Tak zróżnicowany wachlarz zastosowań wymaga przede wszystkim możliwości działania w ekstremalnych warunkach przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodnego, wysokoparametrowego reagowania w czasie rzeczywistym.

W rezultacie deweloperzy stają przed rosnącym zapotrzebowaniem na spójną, wydajną, dobrze wspieraną i skalowalną platformę, która ułatwiłaby projektowanie i rozwój coraz szerszej gamy zastosowań w motoryzacji i elektromobilności.

W niniejszym artykule omówiono grupę cyfrowych kontrolerów sygnałów (DSC) firmy Microchip Technology, które mogą spełnić te wymagania, a także opisano zastosowanie tych kontrolerów w projektach referencyjnych w celu osiągnięcia funkcji niezbędnych dla systemów motoryzacyjnych i elektromobilności.

Różnorodne wyzwania projektowe wymagają elastycznych rozwiązań

Niezależnie od tego, czy projektowane są pojazdy konwencjonalne czy elektryczne, deweloperzy muszą zmierzyć się z rosnącą listą zastosowań obejmującą podsystemy konwersji zasilania, bezprzewodowe ładowanie w pojazdach, cyfrowe systemy oświetleniowe oraz systemy sterowania silnikami, począwszy od stosunkowo prostych zastosowań z silnikami krokowymi po złożone systemy hamowania odzyskowego w pojazdach elektrycznych (EV) i hybrydowych pojazdach elektrycznych (HEV). Obok krytycznych wymogów dotyczących bezpieczeństwa funkcjonalnego, na znaczeniu zyskują także wymagania dotyczące przestrzeni projektowej i wykazu materiałów (BOM), ponieważ producenci pojazdów starają się odpowiedzieć na potrzeby konsumentów oraz presję konkurencji w zakresie poprawy bezpieczeństwa, wygody, funkcjonalności i parametrów działania.

Odpowiadając na te wymagania, branża już wykonała gwałtowny zwrot w kierunku rozwiązań cyfrowych w niemal każdym podsystemie pojazdu. Podsystemy w konwencjonalnych pojazdach osobowych już teraz opierają się na mikrokontrolerach (MCU) zawierających cztery razy obszerniejsze kody oprogramowania niż samoloty komercyjne^[1].

Jednak wraz ze zmieniającym się popytem i presją konkurencji, wcześniejsze rozwiązania mikrokontrolerów mogą nie spełniać całej gamy wymagań, przed którymi stają obecnie projektanci samochodów. Potrzeba stosowania różnych szyn zasilających w większej liczbie podsystemów elektronicznych i związanych z tym funkcji wysokonapięciowej konwersji prądu stałego, szczególnie w pojazdach elektrycznych, wymaga bardziej zaawansowanych możliwości sterowania cyfrowego. Inne zastosowania, takie jak bezprzewodowe ładowanie urządzeń mobilnych w pojazdach, wprowadzają szereg zupełnie nowych wymagań projektowych dla wielocewkowych bezprzewodowych nadajników energii zgodnych ze standardowymi odbiornikami energii wbudowanymi w coraz większą liczbę urządzeń konsumenckich. W projektach oświetlenia pojazdów trzeba uwzględniać parametry techniczne, takie jak regulacja jasności, temperatura, starzenie się komponentów itp., aby móc uzyskać jaśniejsze reflektory, przyjemne kolory i efekty ściemniania na tablicy przyrządów. Wreszcie, precyzyjne, sterowane cyfrowo silniki są wszechobecne nawet w konwencjonalnych pojazdach i stanowią oczywiście funkcjonalną podstawę elektromobilności.

Aby sprostać tym różnorodnym wymaganiom firma Microchip Technology zaprojektowała grupę cyfrowych kontrolerów sygnałów dsPIC33, do której należą produkty o wyspecjalizowanych możliwościach funkcjonalnych. Najnowszy kontroler z tej grupy, dsPIC33C, dysponuje lepszymi w stosunku do kontrolerów dsPIC33E oraz dsPIC33F parametrami działania oraz możliwościami i jest przeznaczony dla deweloperów ukierunkowanych na bardziej wyrafinowane zastosowania.

Oparte na rdzeniu cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) cyfrowe kontrolery sygnałów łączą w sobie prostotę mikrokontrolera z wydajnością cyfrowego procesora sygnałowego, wychodząc naprzeciw zmieniającym się wymaganiom w zakresie parametrów działania, małych latencji i możliwości pracy w czasie rzeczywistym przy zachowaniu minimalnej powierzchni i krótkiego wykazu materiałów BOM. Korzystając z obszernego ekosystemu płytek rozwojowych dsPIC33, projektów referencyjnych i narzędzi do tworzenia oprogramowania firmy Microchip, deweloperzy mogą korzystać z różnych produktów z grupy dsPIC33, aby skalować swoje projekty i zrealizować szerokie spektrum zastosowań w systemach motoryzacyjnych i elektromobilności.

Bardziej efektywna baza sprzętowa dla projektów motoryzacyjnych i elektromobilności

Grupa produktów dsPIC33C firmy Microchip została zaprojektowana specjalnie w celu zmniejszenia latencji i poprawy szybkości wykonywania szybkich cyfrowych pętli sterowania opartych na oprogramowaniu, stanowiących podstawę wielu podsystemów samochodowych. Aby zapewnić tę możliwość, omawiane urządzenia integrują w sobie aparat cyfrowego procesora sygnałowego (DSP), szybkie rejestry i ściśle powiązane peryferia, w tym wiele przetworników analogowo-cyfrowych (ADC), przetworników cyfrowo-analogowych (DAC), komparatorów analogowych i wzmacniaczy operacyjnych.

Funkcje takie jak jednocyklowe mnożenie i dodawanie (MAC) 16 x 16 aparatu cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) z 40-bitowym akumulatorem, pętle z zerowym narzutem i przesuwanie słów maszynowych zapewniają szybkie wykonywanie cyfrowych pętli sterujących. Niezależne działanie precyzyjnych interfejsów pętli sterowania jest możliwe dzięki peryferiom takim jak modulatory szerokości impulsu (PWM) o rozdzielczości 150ps, układy czasowe przechwytywania/porównywania/PWM (CCP), peryferyjne generatory wyzwalające i programowane przez użytkownika komórki logiczne.

Rozbudowana funkcjonalność tych urządzeń mikroukładowych w obudowach o rozmiarach zaledwie 5x5mm pomaga deweloperom osiągnąć minimalną powierzchnię i wykaz materiałów BOM, aby spełnić wymagania dla mniejszych urządzeń w eleganckich systemach samochodowych. Urządzenia te współpracują z wieloma interfejsami komunikacyjnymi, takimi jak magistrala CAN (Controller Area Network), lokalna sieć wzajemnych połączeń (LIN) i protokół DMX, stosowanymi w zaawansowanych systemach motoryzacyjnych, jeszcze bardziej upraszczając projekty motoryzacyjne. Ponadto urządzenia te są dostępne z różnej wielkości pamięcią, zarówno w konfiguracjach jedno-, jak i dwurdzeniowych, zapewniając rodzaj skalowalnego rozwiązania wymaganego w zaawansowanych zastosowaniach motoryzacyjnych i elektromobilności.

Omawiane części są przeznaczone do pracy w trudnych warunkach motoryzacyjnych i posiadają certyfikat AEC-Q100 klasy 0 oraz są w stanie spełnić rygorystyczne wymagania pracy pod maską w rozszerzonym zakresie temperatur od -40°C do +150°C. Co najważniejsze w przypadku projektów motoryzacyjnych o znaczeniu krytycznym, wybrane produkty z grupy dsPIC33 umożliwiają łatwe uzyskanie bezpieczeństwa funkcjonalnego, aby ułatwić zapewnienie zgodności z normami bezpieczeństwa, w tym ISO 26262 (ASIL A lub ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) i IEC 60730 (klasa B). Produkty z grupy dsPIC33 zawierają specjalistyczne sprzętowe funkcje bezpieczeństwa, w tym czuwakowy i dozorowy układ czasowy, monitorowanie zegara w razie awarii, pamięć o dostępie swobodnym (RAM), wbudowany autotest (BIST) i kodowanie korekcyjne.

Wykorzystywane do tworzenia oprogramowania kompilatory MPLAB XC C firmy Microchip posiadają certyfikat TÜV SUD w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego, a w niektórych przypadkach dostępne są biblioteki oprogramowania diagnostycznego. Ponadto firma Microchip zapewnia powiązane raporty dotyczące rodzajów awarii, ich skutków i analizy diagnostycznej (FMEDA) oraz instrukcje bezpieczeństwa potrzebne w ramach procesu certyfikacji bezpieczeństwa.

Sprzętowe funkcje bezpieczeństwa i możliwości rozwoju potrzebne do certyfikacji bezpieczeństwa funkcjonalnego są tylko częścią bogatego ekosystemu rozwojowego wspierającego projektowanie oparte na urządzeniach dsPIC33 zarówno dla konwencjonalnych samochodów, jak i pojazdów elektrycznych. Poprzez zintegrowane środowisko programistyczne MPLAB X (IDE) firma Microchip oferuje szeroki zestaw niżej opisanych specjalistycznych narzędzi projektowych i bibliotek dla różnych obszarów zastosowań.

Aby jeszcze bardziej skrócić proces rozwojowy z użyciem cyfrowych kontrolerów sygnałów dsPIC33, firma Microchip oferuje bogaty ekosystem płytek rozwojowych dsPIC33, a także dostępne do pobrania materiały projektowe, w tym informacje o produktach, uwagi dotyczące zastosowań i projekty referencyjne. Wśród tych materiałów jest kilka projektów referencyjnych dsPIC33C, które dotyczą niektórych kluczowych obszarów zastosowań w motoryzacji i elektromobilności, takich jak ładowanie bezprzewodowe, oświetlenie cyfrowe, konwersja energii i sterowanie silnikami. Oprócz demonstracji zastosowań cyfrowego kontrolera sygnałów dsPIC33C w poszczególnych obszarach, wspomniane projekty referencyjne wraz z powiązanym oprogramowaniem mogą również służyć jako punkt wyjścia do wdrażania projektów niestandardowych.

Wdrażanie precyzyjnych cyfrowych pętli sterowania do konwersji energii

Pętle sterowania leżą u podstaw wielu zastosowań motoryzacyjnych i elektromobilności, a jednym z najbardziej krytycznych jest fundamentalna potrzeba konwersji energii. Wydajna konwersja prądu stałego jest nadal ważna w konwencjonalnych układach samochodowych i jest niezbędna w pojazdach elektrycznych oraz hybrydowych wysokiego napięcia. W tych systemach konieczne jest bezpieczne i wydajne obniżenie napięcia akumulatora 200-800V do poziomu 12V lub 48V potrzebnego do zasilania oświetlenia zewnętrznego i wewnętrznego oraz zasilania silników wycieraczek, okien, wentylatorów i pomp.

W referencyjnym projekcie przetwornicy rezonansowej LLC prądu stałego o mocy 200W (trzy elementy reaktywne: dwa indukcyjne i jeden pojemnościowy)^[2], pojedynczy kontroler dsPIC33 stanowi kompaktowe cyfrowe rozwiązanie do konwersji zasilania w trybie impulsowym, wykorzystując jeden ze zintegrowanych modułów modulacji szerokości impulsu do sterowania półmostkowym tranzystorem MOSFET w pętli sterowania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: referencyjny projekt przetwornicy rezonansowej LLC prądu stałego firmy Microchip Technology wykorzystujący pojedynczy cyfrowy kontroler sygnałów (DSC) dsPIC33 do cyfrowego zarządzania pętlą sterowania w konwersji energii. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Transformator rezonansowy na ilustracji 2 izoluje wysokie napięcie po stronie pierwotnej (czarne linie) od zasilania wtórnego 12V (linie niebieskie) dla sterowników tranzystorów MOSFET (D) i zasilania 3V dla cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33 i innych komponentów analogowych (A).

Ilustracja 2: dzięki specjalistycznym peryferiom cyfrowe kontrolery sygnałów (DSC) dsPIC33 pomagają uprościć projekty i zmniejszyć liczbę używanych części, wykorzystując zintegrowane moduły PWM i funkcje peryferyjne do sterowania zewnętrznymi tranzystorami MOSFET (D) i innymi komponentami analogowymi (A). (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

W tym projekcie urządzenie dsPIC33 wykorzystuje podstawowe oprogramowanie sterowane przerwaniami do zarządzania cyfrową pętlą sterowania. Przerwanie przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) jest używane do uzyskania napięcia wyjściowego używanego w programowym regulatorze proporcjonalno-całkująco-różniczkującym (PID). Kolejne przerwanie przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) obsługuje wykrywanie temperatury, podczas gdy analogowe komparatory urządzenia dsPIC33 obsługują wykrywanie nadmiernych prądów i napięć. W rzeczywistości realizacja procesu regulatora PID i powiązanych zadań zarządzania pętlą sterowania pozostawia mnóstwo miejsca na przetwarzanie i zadania związane z porządkowaniem i monitorowaniem, w tym monitorowaniem temperatury, monitorowaniem usterek oraz komunikacją, a wszystko to w ramach prostej sekwencji przetwarzania oprogramowania układowego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wysokowydajny aparat cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) cyfrowych kontrolerów sygnałów (DSC) dsPIC33 i ściśle powiązane peryferia umożliwiają deweloperom łatwe wdrażanie złożonych cyfrowych pętli sterowania z prostszym kodem. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Deweloperom, którzy chcą budować bardziej wyspecjalizowane cyfrowe rozwiązania zasilania, firma Microchip oferuje pakiet do cyfrowego projektowania zasilania wspomagający proces projektowania, od koncepcji po generowanie oprogramowania układowego dla docelowego cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC. Opierając się na możliwościach sprzętowych cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC, deweloperzy używają zawartego w pakiecie narzędzia Digital Compensator Design Tool (DCDT) do analizy pętli sterowania oraz MPLAB Code Configurator (MCC) do generowania kodu wykorzystującego zoptymalizowane funkcje kodowo-sprzętowe w bibliotekach Microchip Compensator Libraries (ilustracja 4) .

Ilustracja 4: deweloperzy mogą wykorzystać kompleksowy łańcuch narzędzi firmy Microchip, aby przyspieszyć opracowywanie zoptymalizowanych pętli sterowania opartych na oprogramowaniu w obrębie cyfrowych podsystemów zasilania. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Projektanci zastosowań wykorzystujących pętle sterowania dla segmentu motoryzacji i elektromobilności, niezależnie od tego, czy budują urządzenia oparte na standardach, takie jak bezprzewodowe nadajniki energii, czy wdrażają bardziej złożone urządzenia niestandardowe, muszą wdrażać rozwiązania kompaktowe, które mogą obsługiwać dodatkowe funkcje wykraczające poza podstawowe funkcje, takie jak monitorowanie usterek. Kolejny projekt referencyjny ilustruje użycie jednordzeniowego cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33CK w dostarczaniu bogatego zestawu funkcji w innym ważnym zastosowaniu sterowanej cyfrowo konwersji energii - bezprzewodowej transmisji energii.

Wdrażanie bezprzewodowych nadajników energii zgodnych ze standardem Qi

Szeroko przyjęty przez producentów smartfonów i innych urządzeń mobilnych, standard Qi opracowany przez konsorcjum WPC (Wireless Power Consortium) dla bezprzewodowego transferu zasilania o mocy od 5W do 15W umożliwia konsumentom ładowanie urządzeń obsługujących standard Qi poprzez umieszczenie ich na dowolnej powierzchni z wbudowanym kompatybilnym nadajnikiem bezprzewodowym. Osadzone w wewnętrznych powierzchniach samochodów lub produktach do ładowania innych firm, bezprzewodowe nadajniki energii Qi zapewniają wygodną metodę ładowania smartfonów, która eliminuje zamieszanie i potencjalne rozproszenie uwagi wiążące się z użyciem przewodowych połączeń zasilających. Projekt referencyjny bezprzewodowego urządzenia do ładowania w standardzie Qi o mocy 15W firmy Microchip Technology^[3] ilustruje użycie cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33 w uproszczeniu implementacji tego typu podsystemu (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zintegrowane peryferia urządzenia dsPIC33 mogą działać niezależnie, aby przyspieszyć kluczowe zadania związane ze sterowaniem, pozostawiając rezerwę zasobów na wykonywanie innych zadań, takich jak interfejsy użytkownika, komunikacja i zabezpieczenia w bardziej złożonych zastosowaniach, takich jak bezprzewodowe nadajniki zasilania. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Projekt referencyjny oparty na jednordzeniowym cyfrowym kontrolerze sygnałów (DSC) dsPIC33CK256MP506 firmy Microchip Technology wykorzystuje zintegrowane możliwości kontrolera do implementacji cyfrowej pętli sterowania. Chociaż omawiany projekt jest oparty na topologii pełnego mostka, a nie półmostka jak wspomniana powyżej przetwornica rezonansowa, moduły modulacji szerokości impulsu wykorzystanego urządzenia z łatwością spełniają ten dodatkowy wymóg.

Bezprzewodowe nadajniki energii zazwyczaj zawierają wiele cewek częstotliwości radiowych (RF) do przesyłania energii, a w omawianej konstrukcji falownik mostkowy jest podłączony do jednej z trzech cewek za pośrednictwem multipleksera (MUX). Podobnie jak w przypadku falownika z pełnym mostkiem i układu front end do kondycjonowania napięcia, omawiana konstrukcja w pełni wykorzystuje zintegrowane peryferia cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33 do zarządzania przełączaniem cewek MUX.

Oprócz zarządzania sterownikami bramek MIC4605 oraz MP14700 firmy Microchip, peryferia urządzenia dsPIC33:

• sterują diodami elektroluminescencyjnymi (LED) za pośrednictwem ekspandera wejść-wyjść MCP23008firmy Microchip
• zapewniają łączność USB przez urządzenie mostka USB MCP2221A firmy Microchip
• obsługują funkcję bezpiecznego przechowywania zgodną ze standardami WPC za pośrednictwem urządzenia uwierzytelniającego ATECC608 firmy Microchip, udostępnianego przez firmę Microchip jako licencjonowany organ certyfikacji producentów WPC
• zapewniają przystosowaną do funkcji bezpieczeństwa funkcjonalnego z normy ISO 2622 łączność CAN za pośrednictwem urządzenia CAN o elastycznej szybkości transmisji danych (FD) ATA6563

Ponadto w projekcie referencyjnym wykorzystano przetwornicę obniżającą MCP16331 i regulator liniowy MCP1755 firmy Microchip do obsługi zasilania z akumulatora pomocniczego.

Wykorzystując stosunkowo krótki wykaz materiałów BOM, projekt referencyjny zapewnia rozwiązanie przystosowane do technologii Qi, które ma wszystkie kluczowe cechy bezprzewodowego systemu zasilania, w tym wysoką sprawność, rozszerzony zakres ładowania, użyteczną odległość Z (odległość między nadajnikiem a odbiornikiem), funkcję wykrywania ciał obcych i obsługę wielu wdrożeń szybkiego ładowania stosowanych w wiodących smartfonach. Wykorzystując omawiany projekt oparty na oprogramowaniu, deweloperzy mogą łatwo dodawać możliwości, takie jak zastrzeżone protokoły komunikacyjne między nadajnikiem a odbiornikiem oraz opcje łączności bezprzewodowej, między innymi Bluetooth.

Wdrażanie kompaktowych cyfrowych rozwiązań oświetleniowych

Zintegrowane funkcje urządzeń dsPIC33 są szczególnie ważne w zastosowaniach motoryzacyjnych i elektromobilności, które wymagają dodawania wyrafinowanej funkcji bez zaburzania linii pojazdu. Dostępność diod LED wysokiej jasności umożliwiła producentom pojazdów nadanie większego sensu projektowego reflektorom zewnętrznym i oświetleniu wewnętrznemu.

Deweloperzy tych podsystemów oświetleniowych muszą jednak zazwyczaj zmieścić w mniejszych obudowach więcej funkcji, jednocześnie zapewniając obsługę standardów branżowych, takich jak DMX, który stanowi wspólny protokół komunikacyjny do sterowania łańcuchami urządzeń oświetleniowych. Projekt kompaktowego rozwiązania oświetlenia cyfrowego^[4], podobnie jak wspomniany powyżej projekt bezprzewodowego nadajnika energii, także wykorzystuje zintegrowane peryferia urządzenia dsPIC33 (ilustracja 6).

Ilustracja 6: cyfrowe kontrolery sygnałów (DSC) dsPIC33 firmy Microchip Technology umożliwiają deweloperom budowę złożonych projektów na małej powierzchni i przy zachowaniu minimalnego wykazu materiałów BOM, co jest niezbędne dla dyskretnego implementowania określonych funkcji w pojazdach. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Podobnie jak w przypadku innych cyfrowych zastosowań związanych z zasilaniem, omawiany projekt oświetlenia cyfrowego pozwala opracować kompaktowe cyfrowe rozwiązanie oświetleniowe dzięki wykorzystaniu zintegrowanych modułów modulacji szerokości impulsu (PWM), analogowych komparatorów i innych peryferiów urządzeń dsPIC33. Podobnie jak w przypadku zastosowań projektowych wspomnianych powyżej, omawiane cyfrowe rozwiązanie oświetleniowe wykorzystuje moc obliczeniową cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33 i potencjał jego peryferiów do niezależnej pracy, umożliwiając sterowanie wymaganym zestawem urządzeń zewnętrznych (w tym urządzeń zasilających, nadajniko-odbiorników, diod LED i innych) oraz jego monitorowanie. Inne przykłady projektów firmy Microchip demonstrują możliwości wysokowydajnego przetwarzania cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33 w obsłudze bardziej złożonych algorytmów sterowania cyfrowego i zaawansowanych systemów sterowania silnikami.

Wdrażanie zaawansowanych systemów sterowania silnikami z wykorzystaniem jednego cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33

Parametry działania cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33 umożliwiają deweloperom wykorzystanie pojedynczego urządzenia tego typu do obsługi głównej cyfrowej pętli sterowania, a także różnych funkcji pomocniczych. W rzeczywistości projekt firmy Microchip z dwoma silnikami^[5] przedstawia implementację bezczujnikowego, zorientowanego polowo (FOC) sterowania parą silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM) przy użyciu tylko jednego jednordzeniowego cyfrowego kontrolera sygnałów (DSC) dsPIC33CK. Kluczowe znaczenie dla tego projektu mają sygnały modulacji szerokości impulsu (PWM) z przesunięciem fazowym przesyłane do falowników dla każdego kanału sterowania silnikiem - sterowania silnikiem 1 (MC1) i sterowania silnikiem 2 (MC2) (ilustracja 7).

Ilustracja 7: ze względu na wysoką wydajność przetwarzania i zintegrowane peryferia, jeden jednordzeniowy cyfrowy kontroler sygnałów (DSC) dsPIC33CK może obsługiwać projekty wymagające sterowania dwoma silnikami. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

W tym podejściu moduły modulacji szerokości impulsu (PWM) urządzenia dsPIC33CK są skonfigurowane do generowania niezbędnych przebiegów dla każdego kanału sterowania silnikiem i aktywacji niezależnych przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) w optymalnym momencie. Każdy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) po zakończeniu konwersji wysyła sygnał przerwania, który powoduje, że urządzenie dsPIC333CK wykonuje algorytm sterowania polowo-zorientowanego (FOC) dla danego zestawu odczytów.

Pojedynczy cyfrowy kontroler sygnałów (DSC) dsPI33CK może również obsługiwać zastosowania sterowania mocniejszym silnikiem. W referencyjnym projekcie dla wysokowydajnej hulajnogi elektrycznej, urządzenie dsPIC33CK steruje wieloma tranzystorami FET i sterownikami bramek MIC4104 firmy Microchip w falowniku trójfazowym, który steruje bezszczotkowym silnikiem prądu stałego (BLDC) (ilustracja 8).

Ilustracja 8: korzystając z jednordzeniowego urządzenia dsPIC33CK, programiści mogą wdrożyć podsystem sterowania mocnym silnikiem hulajnogi elektrycznej przy użyciu zaledwie kilku dodatkowych komponentów. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Projekt referencyjny hulajnogi elektrycznej^[6] obsługuje zarówno bezczujnikowe, jak i czujnikowe tryby działania, ponieważ umożliwia monitorowanie wstecznej siły elektromotorycznej (BEMF) silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC), a także wyjścia czujnika hallotronowego. Wykorzystując źródło napięcia wejściowego od 18V do 24V, konstrukcja osiąga maksymalną moc wyjściową 350W.

Rozbudowując omawiany projekt^[7], firma Microchip demonstruje dodanie hamowania regeneracyjnego stosowanego w pojazdach elektrycznych (EV) i hybrydowych (HEV), służącego do odzyskiwania energii, wykorzystującego wytwarzaną przez silnik wsteczną siłę elektromotoryczną przy poziomach napięcia wyższych od napięcia zasilania akumulatora pojazdu. Przedstawiony tutaj ulepszony projekt wykorzystuje dodatkowy wtyk urządzenia dsPIC33CK do monitorowania sygnału pochodzącego z hamulca. Po wykryciu hamowania urządzenie dsPIC33CK najpierw wyłącza bramki po stronie wysokiej falownika, aby zwiększyć napięcie odzyskiwanej energii do poziomu przekraczającego napięcie szyny prądu stałego, a następnie wyłącza bramki po stronie niskiej, aby umożliwić przepływ prądu z powrotem do źródła.

Chcąc uzyskać zwiększoną funkcjonalność projektu, deweloperzy mogą go skalować, zastępując jednordzeniowy cyfrowy kontroler sygnałów (DSC) dsPIC33CK kontrolerem dwurdzeniowym dsPIC33CH. W takim projekcie jeden rdzeń może zarządzać sterowaniem silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC) i funkcją hamowania regeneracyjnego przy minimalnych zmianach kodu, podczas gdy drugi może realizować dodatkowe funkcje zabezpieczeń lub zastosowania wysokiego poziomu. Korzystając z dwurdzeniowego urządzenia dsPIC33CH, zespoły zajmujące się pracami rozwojowymi nad procesami sterowania silnikami oraz rozwojem aplikacji mogą pracować niezależnie i bezproblemowo integrować sterowanie w celu jego realizacji na cyfrowym kontrolerze sygnałów (DSC).

W przypadku niestandardowych projektów sterowania silnikami deweloperzy mogą skorzystać z zestawu narzędzi z graficznym interfejsem użytkownika motorBench Development Suite firmy Microchip, który pomaga dokładniej mierzyć krytyczne parametry silnika, dostrajać pętle sterowania i generować kompilację źródłową w oparciu o platformę zastosowań sterowania silnikiem (MCAF) i bibliotekę Motor Control Library firmy Microchip.

Podsumowanie

Korzystając z cyfrowych kontrolerów sygnałów (DSC) dsPIC33 firmy Microchip Technology, deweloperzy potrzebują stosunkowo niewielu dodatkowych komponentów do wdrożenia szerokiej gamy cyfrowych projektów zasilania dla konwencjonalnych zastosowań motoryzacyjnych i elektromobilności. Jedno- i dwurdzeniowe cyfrowe kontrolery sygnałów (DSC) dsPIC33, którym towarzyszy bogaty zestaw narzędzi programowych i projektów referencyjnych, stanowią skalowalną platformę do szybkiego opracowywania zoptymalizowanych rozwiązań m.in. w zakresie konwersji energii, ładowania bezprzewodowego, oświetlenia i sterowania silnikami.

Bibliografia:

1. Dr. H. Proff i in., 2020. Software is transforming the automotive world. 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. Dual Motor Control with the dsPIC33CK White Paper
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