Konstruowanie lepszych systemów motoryzacyjnych i elektromobilności przy wykorzystaniu cyfrowych kontrolerów sygnałów

Projektanci stają przed rosnącym zapotrzebowaniem na spójną, wydajną i skalowalną platformę, która ułatwiłaby projektowanie i rozwój coraz szerszej gamy zastosowań w motoryzacji i elektromobilności.

Łukasz

2022-02-02

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:

Autor: Stephen Evanczuk

Kontakt w Polsce

Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl