Come costruire migliori sistemi automotive e di e-mobility utilizzando i controller di segnali digitali

Sia i sistemi automotive convenzionali che quelli di e-mobility dipendono dal funzionamento efficace di una miriade di dispositivi elettronici per la praticità e le capacità di sicurezza funzionale mission-critical. Pur presentando un'ampia diversità di requisiti, queste diverse applicazioni richiedono fondamentalmente la capacità di funzionare in condizioni estreme, fornendo una risposta affidabile, ad alte prestazioni e in tempo reale.

Di conseguenza, gli sviluppatori devono fare i conti con il bisogno crescente di una piattaforma coerente, potente, ben supportata e scalabile in grado di semplificare la progettazione e lo sviluppo di una gamma in espansione di progetti automotive e di e-mobility.

Questo articolo discute una famiglia di controller di segnali digitali (DSC) di Microchip Technology che può soddisfare questi requisiti e descrive l'uso di questi DSC nei progetti di riferimento per le capacità essenziali nei sistemi automotive e di e-mobility.

Le sfide di progettazione richiedono soluzioni flessibili

Sia che si tratti di progettare veicoli convenzionali o elettrici, gli sviluppatori devono affrontare una lista crescente di applicazioni tra cui sottosistemi di conversione di potenza, ricarica wireless a bordo del veicolo, sistemi di illuminazione digitale e sistemi di controllo del motore che vanno da applicazioni relativamente semplici di motori passo-passo a complessi sistemi di frenata rigenerativa in veicoli elettrici (EV) e veicoli elettrici ibridi (HEV). Insieme ai requisiti mission-critical per la sicurezza funzionale, l'impronta di progettazione e i requisiti della distinta base continuano ad aumentare d'importanza mentre i produttori di veicoli lavorano per rispondere alla domanda dei consumatori e alla pressione competitiva per una maggiore sicurezza, comodità, funzionalità e prestazioni.

In risposta a questi requisiti, il settore ha già virato bruscamente verso soluzioni digitali in quasi tutti i sottosistemi del veicolo. I sottosistemi in tutte le autovetture convenzionali si basano già su microcontroller (MCU) che eseguono quattro volte più codice software di un aereo commerciale^[1].

Con l'evoluzione della domanda e la pressione competitiva, tuttavia, le precedenti soluzioni a microcontroller possono essere insufficienti per soddisfare i requisiti che i progettisti automotive si trovano ora ad affrontare. La necessità di diversi rail di alimentazione in più sottosistemi elettronici e la funzionalità di conversione c.c./c.c. ad alta tensione associata, in particolare nei veicoli elettrici, richiede capacità di controllo digitale più sofisticate. Altre applicazioni come la ricarica wireless di dispositivi mobili a bordo dei veicoli introducono una serie di requisiti di progettazione completamente nuovi per i trasmettitori di potenza wireless multibobina compatibili con i ricevitori di potenza standard del settore incorporati in più dispositivi consumer. I progetti di illuminazione dei veicoli devono affrontare caratteristiche tecniche come il dimmeraggio, la temperatura, l'invecchiamento dei componenti e altre per offrire fari più luminosi, colori piacevoli ed effetti di dimmeraggio sul cruscotto. Infine, i motori di precisione a controllo digitale sono onnipresenti anche nei veicoli convenzionali e, naturalmente, forniscono la base funzionale per l'e-mobility.

La famiglia di DSC dsPIC33 di Microchip Technology è progettata specificamente per affrontare questi diversi requisiti e prevede componenti con capacità funzionali specializzate. L'ultimo componente di questa famiglia, dsPIC33C, estende le prestazioni e le capacità disponibili nei DSC dsPIC33E e dsPIC33F per gli sviluppatori che mirano ad applicazioni più sofisticate.

Basati su un core di processore di segnali digitali (DSP), questi DSC combinano la semplicità di un MCU con le prestazioni di un DSP per soddisfare i requisiti in evoluzione in termini di prestazioni elevate, bassa latenza, capacità in tempo reale mantenendo un ingombro compatto e una distinta base minima. Utilizzando l'ampio ecosistema di schede di sviluppo dsPIC33 di Microchip, i progetti di riferimento e gli strumenti di sviluppo software, gli sviluppatori possono attingere a diversi membri della famiglia dsPIC33 per scalare i loro progetti e fornire varie applicazioni al centro dei sistemi automotive e di e-mobility.

Una base hardware più efficace per i progetti automotive e di e-mobility

La famiglia dsPIC33C di Microchip è progettata specificamente per ridurre la latenza e velocizzare l'esecuzione dei cicli di controllo digitale basati su software ad alta velocità alla base di molti sottosistemi automotive. Per fornire questa capacità, questi dispositivi integrano un motore DSP, registri ad alta velocità e periferiche strettamente accoppiate tra cui più convertitori analogico/digitale (ADC), convertitori digitale/analogico (DAC), comparatori analogici e amplificatori operativi.

Caratteristiche come il motore DSP a ciclo singolo 16 x 16 moltiplicatore-accumulatore (MAC) con accumulatore a 40 bit, loop a sovraccarico zero e barrel shifting assicurano l'esecuzione ad alta velocità degli anelli di controllo digitali. Le capacità periferiche come i modulatori della larghezza di impulso (PWM) con risoluzione di 150 ps, i timer di acquisizione/comparazione/PWM (CCP), il generatore di trigger periferico e la cella logica configurabile e programmabile dall'utente consentono il funzionamento indipendente delle interfacce con anello di controllo di precisione.

L'ampia funzionalità su chip di questi dispositivi in contenitori compatti anche di soli 5 x 5 mm aiuta gli sviluppatori a ottenere il minimo ingombro e una distinta base ridotta per soddisfare i requisiti di dispositivi più piccoli nei sistemi automotive eleganti. Semplificando ulteriormente i progetti automotive, questi dispositivi supportano più interfacce di comunicazione tra cui CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) e DMX (Digital Multiplex) utilizzati nei sistemi automotive avanzati. Inoltre, questi dispositivi sono disponibili con diverse capacità di memoria in entrambe le configurazioni single core e dual core, fornendo il tipo di soluzione scalabile necessaria alle applicazioni avanzate di e-mobility e automotive.

Destinati ad ambienti automotive difficili, questi componenti sono qualificati AEC-Q100 Grade 0 e in grado di soddisfare i requisiti esigenti di funzionamento con il supporto di un intervallo di temperatura esteso da -40 a +150 °C. Più importante per i progetti automotive mission-critical, i componenti selezionati della famiglia dsPIC33 sono pronti per la sicurezza funzionale per facilitare la conformità alle specifiche di sicurezza tra cui ISO 26262 (ASIL A o ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) e IEC 60730 (Classe B). Questi componenti della famiglia dsPIC33 integrano caratteristiche hardware di sicurezza specializzate tra cui un timer deadman, un timer watchdog, un monitoraggio del clock a sicurezza intrinseca, una memoria ad accesso casuale (RAM), un autotest integrato (BIST) e un codice di correzione degli errori.

Per lo sviluppo software, i compilatori MPLAB XC C di Microchip sono certificati TÜV SUD per la sicurezza funzionale; in alcuni casi sono disponibili librerie di software diagnostico. Inoltre, Microchip fornisce i rapporti FMEDA (modalità guasti, effetti, analisi diagnostica) associati e i manuali di sicurezza necessari come parte del processo di certificazione della sicurezza.

Le caratteristiche di sicurezza hardware e le capacità di sviluppo necessarie per la certificazione di sicurezza funzionale sono solo una parte di un ricco ecosistema di sviluppo che supporta la progettazione basata su dsPIC33 sia per le automobili convenzionali, sia per i veicoli elettrici. Basandosi sull'ambiente di sviluppo integrato (IDE) MPLAB X, Microchip offre un ampio set di strumenti di progettazione specializzati e librerie per diverse aree di applicazione, come spiegato di seguito.

Per aiutare a velocizzare ulteriormente lo sviluppo con la famiglia dsPIC33, Microchip offre un ricco ecosistema di schede di sviluppo dsPIC33, nonché risorse di progettazione scaricabili tra cui white paper, note applicative e progetti di riferimento. Tra queste risorse, diversi progetti di riferimento dsPIC33C affrontano svariate aree applicative chiave dei settori automotive e dell'e-mobility, tra cui la ricarica wireless, l'illuminazione digitale, la conversione di potenza e il controllo dei motori. Oltre a dimostrare l'uso di un dsPIC33C DSC in ogni area, questi progetti di riferimento e il software associato possono anche servire come punto di partenza per l'implementazione di progetti personalizzati.

Implementazione di anelli di controllo digitale di precisione per la conversione di potenza

Gli anelli di controllo sono al centro di molte applicazioni automotive e di e-mobility, e uno dei loro usi più cruciali in queste applicazioni assolve il bisogno fondamentale di convertire la potenza. Una conversione c.c.-c.c. efficiente rimane importante nei sistemi automotive convenzionali ed è essenziale nei veicoli elettrici e ibridi elettrici ad alta tensione. In questi sistemi, le tensioni della batteria da 200-800 V devono essere portate in modo sicuro ed efficiente ai livelli di 12 o 48 V necessari per far funzionare l'illuminazione esterna e interna e i motori di potenza per tergicristalli, finestre, ventole e pompe.

In un progetto di riferimento di un convertitore risonante c.c./c.c. da 200 W LLC (tre elementi reattivi: due induttivi e uno capacitivo)^[2], un singolo dispositivo dsPIC33 è una soluzione digitale compatta per la conversione di potenza in modalità commutabile, utilizzando uno dei suoi PWM integrati per pilotare i MOSFET a semiponte nell'anello di controllo (Figura 1).

Figura 1: Il progetto di riferimento del convertitore risonante c.c./c.c. LLC di Microchip Technology si basa su un singolo dsPIC33 DSC per gestire digitalmente il ciclo di controllo al centro di un progetto di conversione di potenza. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Nella Figura 2, il trasformatore risonante isola l'alta tensione del lato primario (linee nere) dall'alimentazione secondaria a 12 V (linee blu) per i driver MOSFET (D) e l'alimentazione a 3 V per il dsPIC33 DSC e altri componenti analogici (A).

Figura 2: Con le sue periferiche specializzate, i DSC dsPIC33 aiutano a semplificare i progetti e a ridurre il numero di componenti, qui usando i suoi PWM integrati e le funzioni periferiche per controllare i MOSFET esterni (D) e altri componenti analogici (A). (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

In questo progetto, il dsPIC33 utilizza un progetto software di base guidato da interrupt per gestire l'anello di controllo digitale. Qui, un interrupt ADC è utilizzato per acquisire la tensione di uscita utilizzata nel controller proporzionale-integrale-derivativo (PID) del software. Un altro interrupt ADC supporta il rilevamento della temperatura, mentre i comparatori analogici dsPIC33 supportano il rilevamento di eventi di sovracorrente e sovratensione. Infatti, l'esecuzione del processo di controllo PID e dei compiti associati di gestione dell'anello di controllo lascia molto spazio di elaborazione per le attività di gestione interna e di monitoraggio, compreso il monitoraggio della temperatura, dei guasti e delle comunicazioni, il tutto all'interno di una semplice sequenza di elaborazione del firmware (Figura 3).

Figura 3: Il motore DSP ad alte prestazioni dei DSC dsPIC33 e le periferiche strettamente accoppiate permettono agli sviluppatori di implementare facilmente complessi anelli di controllo digitali con un codice più semplice. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Per gli sviluppatori che cercano soluzioni di potenza digitale più specializzate, Digital Power Design Suite di Microchip supporta i progetti dalla concezione alla generazione di firmware per un DSC dsPIC finale. Basandosi sulle capacità dell'hardware DSC dsPIC, gli sviluppatori usano il Digital Compensator Design Tool (DCDT) della suite per analizzare gli anelli di controllo e MPLAB Code Configurator (MCC) per generare codice che utilizza funzioni ottimizzate in codice assembly nelle librerie Microchip Compensator Libraries (Figura 4).

Figura 4: Gli sviluppatori possono attingere alla completa catena di strumenti di Microchip per accelerare lo sviluppo di anelli di controllo ottimizzati basati su software centrali nei sottosistemi di potenza digitali. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Sia che stiano costruendo dispositivi basati su standard come i trasmettitori di potenza wireless o implementando dispositivi personalizzati più complessi, i progettisti di applicazioni con anello di controllo automotive e di e-mobility hanno bisogno di implementare soluzioni compatte che possano supportare funzionalità aggiuntive oltre le capacità di base come il monitoraggio dei guasti. Un altro progetto di riferimento illustra l'uso di un DSC single core dsPIC33CK per fornire un ricco insieme di funzionalità in un'altra importante applicazione di conversione di potenza controllata digitalmente - la trasmissione di potenza wireless.

Implementazione di trasmettitori di potenza wireless conformi a Qi

Ampiamente adottato dai produttori di smartphone e altri dispositivi mobili, lo standard Qi del Wireless Power Consortium (WPC) per il trasferimento di potenza wireless da 5 a 15 W permette ai consumatori di caricare i loro dispositivi con capacità Qi semplicemente posizionandoli su qualsiasi superficie con un trasmettitore wireless integrato compatibile. Incorporati nelle superfici interne delle autovetture o in prodotti di ricarica di terze parti, i trasmettitori di potenza wireless Qi sono un metodo pratico per la ricarica degli smartphone che elimina la confusione e la potenziale distrazione delle connessioni cablate. Il progetto di riferimento di Microchip Technology per l'alimentazione wireless Qi da 15 W^[3] illustra l'uso di un DSC dsPIC33 per semplificare l'implementazione di questo tipo di sottosistema (Figura 5).

Figura 5: Le periferiche integrate dsPIC33 possono funzionare in modo indipendente per velocizzare le attività di controllo chiave, lasciando un margine di elaborazione per l'esecuzione di altre attività come interfacce utente, comunicazioni e sicurezza in applicazioni più complesse come i trasmettitori di potenza wireless. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Basato su un DSC single core dsPIC33CK256MP506 di Microchip Technology, il progetto di riferimento utilizza le capacità integrate del DSC per implementare un anello di controllo digitale. Anche se questo progetto è basato su una topologia a ponte intero e non sul semiponte usato nel convertitore risonante appena menzionato, i molteplici PWM del dispositivo soddisfano facilmente questo requisito aggiuntivo.

I trasmettitori di potenza wireless tipicamente forniscono più bobine a radiofrequenza (RF) per la trasmissione di potenza, e in questo progetto, l'inverter a ponte è collegato attraverso un multiplexer (MUX) a una delle tre bobine. Come l'inverter a ponte intero e il front-end di condizionamento della tensione, questo progetto sfrutta appieno le periferiche integrate del DSC dsPIC33 per gestire la commutazione del MUX della bobina.

Oltre a controllare i gate driver MIC4605 e MP14700 di Microchip, le periferiche del DSC dsPIC33:

• controllano i diodi a emissione luminosa (LED) dell'indicatore di potenza attraverso un espansore di I/O MCP23008 di Microchip;
• forniscono connettività USB attraverso un dispositivo a ponte USB MCP2221A di Microchip;
• supportano lo storage sicuro conforme a WPC attraverso un dispositivo di autenticazione ATECC608 che Microchip fornisce come autorità di certificazione (CA) del produttore di WPC con licenza;
• forniscono la connettività CAN pronta per la sicurezza funzionale ISO 2622 attraverso un dispositivo CAN Flexible Data-Rate (FD) ATA6563 di Microchip.

Inoltre, il progetto di riferimento utilizza il convertitore buck MCP16331 di Microchip e il regolatore lineare MCP1755 per supportare l'alimentazione ausiliaria a batteria.

Utilizzando questa distinta base relativamente contenuta, il progetto di riferimento fornisce una soluzione predisposta per Qi che ha tutte le caratteristiche chiave di un sistema di alimentazione wireless, tra cui alta efficienza, area di ricarica estesa, distanza Z utile (distanza tra trasmettitore e ricevitore), rilevamento di oggetti estranei e supporto per più implementazioni di ricarica rapida utilizzate nei principali smartphone. Basandosi su questo design software, gli sviluppatori possono facilmente aggiungere capacità come protocolli di comunicazione proprietari tra trasmettitore e ricevitore e opzioni di connettività wireless come Bluetooth.

Implementare soluzioni compatte di illuminazione digitale

La funzionalità integrata dei dispositivi dsPIC33 è particolarmente importante nelle applicazioni automotive e di e-mobility che richiedono l'aggiunta di qualche caratteristica sofisticata senza disturbare le linee del veicolo. La disponibilità di LED ad alta intensità ha permesso ai produttori di veicoli di portare un senso estetico ai fari esterni e all'illuminazione interna.

Gli sviluppatori di questi sottosistemi di illuminazione, tuttavia, devono in genere contenere più funzionalità in contenitori più piccoli, pur supportando standard industriali come DMX, che fornisce un protocollo di comunicazione comune per il controllo delle catene di dispositivi di illuminazione. Come il progetto del trasmettitore di potenza wireless menzionato sopra, un progetto per una soluzione di illuminazione digitale compatta^[4] sfrutta le periferiche integrate del DSC dsPIC33 (Figura 6).

Figura 6: I DSC dsPIC33 di Microchip Technology permettono agli sviluppatori di realizzare progetti complessi con un ingombro compatto e una distinta base minima, richiesti per integrare la funzionalità in modo discreto nei veicoli. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Come per altre applicazioni di potenza digitale, questo progetto di illuminazione digitale sfrutta i PWM integrati del DSC dsPIC33, i comparatori analogici e altre periferiche per fornire una soluzione di illuminazione digitale completa e compatta. Come per le applicazioni appena citate, questa soluzione di illuminazione digitale si affida alla potenza di elaborazione del DSC dsPIC33 e alla capacità delle sue periferiche di funzionare in modo indipendente per monitorare e controllare tutti i dispositivi esterni, compresi i dispositivi di alimentazione, i transceiver, i LED e altro. Altri esempi di Microchip dimostrano la capacità di elaborazione ad alte prestazioni dei DSC dsPIC33 nella gestione di algoritmi di controllo digitale più complessi e di sistemi di controllo motore avanzati.

Implementazione di sistemi avanzati di controllo del motore con un singolo DSC dsPIC33

Le prestazioni dei DSC dsPIC33 permettono agli sviluppatori di utilizzare un singolo DSC per gestire l'esecuzione del core dell'anello di controllo digitale e di varie funzioni ausiliarie. Infatti, un progetto Microchip a doppio motore^[5] dimostra l'implementazione di un controllo senza sensori e a orientamento di campo (FOC) di una coppia di motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) utilizzando un solo DSC single core dsPIC33CK. La chiave di questo progetto sta nello sfasamento dei segnali PWM agli inverter per ogni canale di controllo del motore, controllo motore 1 (MC1) e controllo motore 2 (MC2) (Figura 7).

Figura 7: Grazie all'elaborazione ad alte prestazioni e delle periferiche integrate, un DSC single core dsPIC33CK può supportare progetti di controllo a due motori. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

In questo approccio, i PWM dsPIC33CK sono configurati per generare le forme d'onda necessarie per ogni canale di controllo del motore e innescare gli ADC separati nel momento più opportuno. Quando ogni ADC completa la conversione, emette un interrupt che fa sì che il DSC dsPIC333CK esegua l'algoritmo FOC per quel set di letture.

Un singolo DSC dsPI33CK può anche gestire applicazioni di controllo motore più robuste. In un progetto di riferimento per uno scooter elettrico ad alte prestazioni (e-scooter), un DSC dsPIC33CK controlla più FET e gate driver MIC4104 di Microchip per un inverter trifase che comanda un motore brushless c.c. (BLDC) (Figura 8).

Figura 8: Usando un DSC single core dsPIC33CK, gli sviluppatori possono implementare un robusto sottosistema di controllo del motore degli e-scooter con solo pochi componenti aggiuntivi. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Il progetto di riferimento dell'e-scooter^[6] supporta entrambe le modalità di funzionamento senza sensori e con sensori, poiché ha la capacità di monitorare la forza controelettromotrice (f.c.e.m.) del motore BLDC e l'uscita del sensore a effetto Hall. Utilizzando una sorgente di tensione di ingresso da 18 a 24 V, il progetto raggiunge una potenza di uscita massima di 350 W.

In un'ulteriore estensione di questo progetto^[7], Microchip dimostra l'aggiunta della frenata rigenerativa utilizzata nei veicoli elettrici e HEV per recuperare l'energia quando il motore genera una f.c.e.m. a livelli di tensione superiori all'alimentazione della batteria del veicolo. Qui, il progetto aumentato utilizza un pin aggiuntivo dsPIC33CK per monitorare il segnale proveniente dal freno. Quando viene rilevata la frenata, il DSC dsPIC33CK prima spegne le porte high-side dell'inverter per aumentare l'energia elettrica recuperata a un livello superiore alla tensione del bus c.c., poi spegne le porte low-side per permettere alla corrente di tornare alla sorgente.

Gli sviluppatori potrebbero scalare questo progetto per supportare una maggiore funzionalità sostituendo il DSC single core dsPIC33CK con un DSC dual core dsPIC33CH. In un progetto del genere, un core potrebbe gestire il controllo del motore BLDC e la funzionalità di frenata rigenerativa con modifiche minime al codice, mentre l'altro potrebbe eseguire capacità di sicurezza aggiuntive o applicazioni di alto livello. Utilizzando il DSC dual core dsPIC33CH, i team di sviluppo dei controlli motore e i team di sviluppo delle applicazioni potrebbero lavorare separatamente e integrare perfettamente il loro controllo per l'esecuzione sul DSC.

Per i progetti di controllo motore personalizzati, la suite di sviluppo MotorBench di Microchip fornisce un set di strumenti con interfaccia grafica utente (GUI) che aiuta gli sviluppatori a misurare con maggior precisione i parametri critici del motore, a sintonizzare gli anelli di controllo e a generare sorgenti basati su Motor Control Application Framework (MCAF) e Motor Control Library di Microchip.

Conclusione

Utilizzando i DSC dsPIC33 di Microchip Technology, gli sviluppatori dovranno far ricorso a un numero relativamente basso di componenti aggiuntivi per implementare una vasta gamma di progetti di potenza digitale per applicazioni automotive convenzionali e di e-mobility. Sostenuti da un ricco set di strumenti software e progetti di riferimento, i DSC single core e dual core dsPIC33 sono una piattaforma scalabile per sviluppare rapidamente soluzioni ottimizzate per la conversione di potenza, la ricarica wireless, l'illuminazione e il controllo dei motori e non solo.

Riferimenti:

1. Dr. H. Proff et al, 2020. Software is transforming the automotive world. Deloitte Insights.
2. https://www.microchip.com/en-us/development-tool/c.c./c.c.-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