Rakenna digitaalisten signaaliohjainten avulla parempia ratkaisuja autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden tarpeisiin

Sekä perinteisten autojen että sähköisen liikkuvuuden järjestelmien tehokas toiminta edellyttää monenlaisia elektroniikkalaitteita, jotka huolehtivat sekä mukavuudesta että turvallisuuden kannalta kriittisistä toiminnoista. Näiden sovellusten vaatimukset vaihtelevat laajalti, mutta ne kaikki vaativat loppujen lopuksi kykyä toimia ääriolosuhteissa luotettavasti, tehokkaasti ja reaaliaikaisesti.

Suunnittelijat tarvitsevatkin yhä enemmän yhtenäistä, tehokasta, hyvin tuettua ja skaalautuvaa alustaa, joka helpottaa autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden jatkuvasti lisääntyvien käyttötapausten suunnittelua ja kehittämistä.

Tässä artikkelissa käsitellään Microchip Technologyn digitaalisten signaaliohjainten (digital signal controller, DSC) perhettä, joka täyttää nämä vaatimukset, ja siinä kuvaillaan ohjainten käyttöä referenssisuunnitelmissa autoteollisuudessa ja sähköisessä liikkuvuudessa tarvittavien ominaisuuksien kannalta.

Vaihteleviin suunnitteluhaasteisiin tarvitaan joustavia ratkaisuja

Suunnittelijat joutuvat sekä perinteisiä että sähkökäyttöisiä ajoneuvoja suunnitellessaan jatkuvasti ottamaan huomioon yhä enemmän sovelluksia, kuten tehomuunnosalijärjestelmät, langaton lataus ajoneuvossa, digitaaliset valaistusjärjestelmät ja moottorin ohjausjärjestelmät, jotka vaihtelevat melko yksinkertaisista askelmoottorisovelluksista sähköajoneuvojen (EV) ja hybridiajoneuvojen (HEV) monimutkaisiin regeneratiivisiin jarrujärjestelmiin. Yhä merkittävämpien turvalliseen toimintaan, ratkaisujen kokoon ja osien määrään liittyvien kriittisten vaatimusten lisäksi ajoneuvojen valmistajat pyrkivät vastaamaan turvallisuutta, mukavuutta, toimintoja ja suorituskykyä koskevaan kuluttajien kysyntään sekä kilpailupaineisiin.

Ala on pyrkinyt vastaamaan näihin vaatimuksiin ottamalla digitaaliset ratkaisut laajalti käyttöön lähes kaikissa ajoneuvon alijärjestelmissä. Perinteisten henkilöautojen alijärjestelmät perustuvat jo mikrokontrollereihin (MCU), joissa on ohjelmistokoodia neljä kertaa sen verran kuin tavallisessa kaupallisessa lentokoneessa^[1].

Kysyntä- ja kilpailupaineiden kasvaessa aiemmat mikrokontrolleriratkaisut eivät kuitenkaan välttämättä enää täytä kaikkia autosuunnittelijoihin kohdistuvia vaatimuksia. Elektronisten osajärjestelmien lisääntyessä tarvitaan erilaisia jännitetasoja ja niihin liittyviä suurjännitteisiä DC/DC-muunnintoimintoja, etenkin sähköautoissa, samoin kuin yhä kehittyneempää digitaalista ohjausta. Ajoneuvossa tapahtuvan mobiililaitteiden langattoman latauksen kaltaiset uudet sovellukset tuovat tullessaan aivan uudenlaisia suunnitteluhaasteita, sillä niissä tarvitaan useamman kelan langattomia virtalähettimiä, jotka ovat yhteensopivia yhä useampiin kuluttajalaitteisiin rakennettavien alan standardien mukaisten virtavastaanottimien kanssa. Ajoneuvojen valaistuksen suunnittelussa on otettava huomioon himmennyksen, lämpötilan ja komponenttien vanhenemisen kaltaisia teknisiä ominaisuuksia, joiden avulla mahdollistetaan kirkkaammat ajovalot, miellyttävät värit ja kojelaudan himmennysefektit. Digitaalisesti tarkkuusohjattuja moottoreita käytetään kaikkialla myös perinteisissä ajoneuvoissa, minkä lisäksi ne muodostavat tietenkin sähköisen liikkuvuuden perustan.

Microchip Technologyn dsPIC33-perheen digitaaliset signaaliohjaimet on suunniteltu vastaamaan näihin moninaisiin vaatimuksiin. Tuoteperheen eri tuotteissa painotetaan erilaisia toiminnallisuuksia. Perheen uusin jäsen, dsPIC33C, laajentaa dsPIC33E- ja dsPIC33F-mallien suorituskykyä ja ominaisuuksia yhä sofistikoituneempia sovelluksia varten.

Näiden digitaalisten signaaliohjainten ytimessä on digitaalinen signaaliprosessori (DSP). Mikrokontrollerin yksinkertaisuuden ja digitaalisen signaaliprosessorin suorituskyvyn yhdistelmä auttaa täyttämään jatkuvasti kasvavat suorituskykyä, alhaista latenssia ja reaaliaikaisuutta koskevat vaatimukset pienikokoisella ratkaisulla, jossa on vain vähän komponentteja. Kehittäjät voivat Microchipin dsPIC33-kehityskorttien, referenssisuunnitelmien ja ohjelmistokehitystyökalujen muodostaman kattavan ekosysteemin avulla hyödyntää dsPIC33-perheen tuotteita ja skaalata suunnitelmansa täyttämään autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden järjestelmien ytimessä tarvittavat sovellustarpeet.

Tehokkaampi laitteistopohja autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden ratkaisuihin

Microchipin dsPIC33C-perhe on suunniteltu erityisesti vähentämään latenssia ja nopeuttamaan nopeiden ohjelmistopohjaisten digitaalisten ohjaussilmukoiden suoritusta erilaisissa autoteollisuuden alijärjestelmissä. Laitteissa on näiden ominaisuuksien saavuttamiseksi integroitu DSP-moottori, nopeat rekisterit ja tiiviisti kytketyt oheislaitteet, kuten useita analogia-digitaalimuuntimia (AD-muunnin), digitaali-analogiamuuntimia (DA-muunnin), analogisia komparaattoreita ja operaatiovahvistimia.

Digitaalisten ohjaussilmukoiden erittäin nopea suoritus varmistetaan muun muassa DSP-moottorin yksisyklisellä 16 x 16 kertolasku-akkumulointilohkolla (MAC), jossa on 40-bittinen akkumulaattori, kovosilmukka ja ryhmäsiirto. Tarkkojen ohjaussilmukkarajapintojen itsenäisen toiminnan mahdollistavat esimerkiksi pulssinleveysmodulaattorien (PMW) 150 pikosekunnin (ps) resoluutio, CCP (Capture/Compare/PWM) -ajastimet, oheislaitteiden laukaisugeneraattori ja käyttäjän ohjelmoitava konfiguroitava looginen solu.

Laitteet on pakattu vain 5 x 5 millimetrin (mm) koteloon. Sirujen kattavat toiminnot auttavat suunnittelijoita pitämään ratkaisun pienenä ja yksinkertaisena, niin että ne sopivat autojärjestelmien pieniin ja muotoilultaan sulavalinjaisiin laitteisiin. Suunnittelua autokäyttöön yksinkertaistaa lisäksi se, että nämä laitteet tukevat lukuisia kehittyneissä autojärjestelmissä käytettäviä tiedonsiirtorajapintoja, kuten CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) ja DMX (Digital Multiplex). Laitteiden muistien koot vaihtelevat sekä yhden että kahden ytimen versioissa, joten tuotteet tarjoavat kehittyneissä autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden ratkaisuissa tarvittavaa skaalautuvuutta.

Osat on tarkoitettu vaativiin käyttökohteisiin autoteollisuudessa. Niillä on AEC-Q100 Grade 0 ‑hyväksyntä ja niitä voidaan käyttää moottoritilassa. Ne myös tukevat tavallista laajempaa käyttölämpötila-aluetta –40 °C ... +150 °C. Turvallisuuden kannalta kriittisiin autoteollisuuden ratkaisuihin on tärkeää valita sellaiset dsPIC33-tuoteperheen jäsenet, jotka tukevat valmiiksi toiminnallista turvallisuutta, koska silloin on helpompi täyttää turvallisuusvaatimukset (esim. ISO 26262 (ASIL A tai ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) ja IEC 60730 (Class B)). Nämä dsPIC33-perheen jäsenet sisältävät turvallisuuteen liittyviä nimenmaisia laitteistoratkaisuja, kuten ”kuolleen miehen” ajastin, vahtiajastin, vikaturvallinen kellon valvonta, RAM-muisti, sisäänrakennettu itsetestaus (BIST) ja virheenkorjauskoodi.

Mitä tulee ohjelmistokehitykseen, Microchipin MPLAB XC C ‑kääntäjien toiminnallinen turvallisuus on TÜV SUD ‑sertifioitu, ja joissakin tapauksissa on saatavana diagnostiikkaohjelmakirjastoja. Microchip tarjoaa lisäksi tarvittavat FMEDA-raportit (Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis) sekä turvallisuusoppaat osana turvallisuuden sertifiointiprosessia.

Toiminnallisen turvallisuuden sertifiointiin vaadittavat laitteistoturvallisuusominaisuudet ja kehitysmahdollisuudet ovat vain osa monipuolista kehitysekosysteemiä, joka tukee dsPIC33-pohjaista suunnittelua sekä perinteisiä että sähkökäyttöisiä ajoneuvoja varten. Microchipin kattava, jäljempänä esitetyille sovellusalueille tarkoitettu erikoissuunnittelutyökalujen ja kirjastojen valikoima perustuu sen MPLAB X Integrated Development Environment ‑kehitysympäristöön (IDE).

Microchip nopeuttaa dsPIC33-perheen käyttöä kehityksessä lisäksi monipuolisella dsPIC33-kehityskorttivalikoimalla sekä ladattavilla suunnitteluresursseilla, kuten valkoisilla papereilla, sovellusohjeilla ja referenssisuunnitelmilla. Niihin kuuluu muun muassa useita tärkeisiin autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden käyttökohteisiin tarkoitettuja dsPIC33C-referenssisuunnitelmia esimerkiksi langattomaan lataukseen, digitaaliseen valaistukseen, tehomuunnokseen ja moottorin ohjaukseen. Referenssisuunnitelmat ja niihin liittyvät ohjelmat tarjoavat esimerkkejä dsPIC33C-perheen digitaalisten signaaliohjainten käytöistä eri alueilla. Niitä voi myös käyttää lähtökohtana räätälöityjen suunnitelmien toteutukselle.

Tarkat digitaaliset ohjaussilmukat tehomuunnoksessa

Monien autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden sovellusten ytimessä ovat ohjaussilmukat, ja yksi tärkeimmistä liittyy perustavanlaatuiseen tarpeeseen muuntaa tehoa. Tehokas tasasähkön muuntaminen on edelleen tärkeää perinteisissä autojärjestelmissä ja se on aivan välttämätöntä suurjännitteisissä sähkö- ja hybridiajoneuvoissa. Näissä järjestelmissä 200–800 voltin akkujännite täytyy laskea turvallisesti ja tehokkaasti ulko- ja sisävalojen sekä pyyhkimien, ikkunoiden, tuulettimien ja pumppujen moottorien käyttämälle 12 tai 48 voltin jännitetasolle.

Yhdellä dsPIC33-laitteella toteutetaan 200 watin (W)) DC/DC LLC ‑muuntimen (kolme reaktiivista elementtiä: kaksi induktiivista ja yksi kapasitiivinen) referenssisuunnitelmassa^[2] hakkuritehomuunnin kompaktina digitaalisena ratkaisuna. Ohjaussilmukan puolisilta-MOSFET-transistoreja ohjataan yhdellä laitteen integroiduista PWM-lähdöistä (kuva 1).

Kuva 1: Microchip Technologyn DC/DC LLC ‑resonanssimuuntimen referenssisuunnitelmassa tehomuunnosratkaisun keskeistä ohjaussilmukkaa ohjataan digitaalisesti yhdellä dsPIC33-ohjaimella. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Kuvassa 2 resonanssimuunnin erottaa suurjännitteisen ensiöpuolen korkeajännitteen (mustat viivat) toisiopuolen MOSFET-ohjainten 12 voltin jännitteestä (siniset viivat) (D) ja dsPIC33-digitaalisen signaaliohjaimen DSC:n sekä muiden analogisten (A) komponenttien 3 voltin jännitteestä.

Kuva 2: Digitaaliset dsPIC33-signaaliohjaimet voivat erityisten oheislaitteidensa avulla helpottaa suunnittelua ja vähentää tarvittavien osien määrää. Tässä esimerkissä laite ohjaa integroitujen PWM-lähtöjen ja oheistoimintojensa avulla ulkoisia MOSFET-transistoreja (D) sekä muita analogisia (A) komponentteja. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Tässä ratkaisussa dsPIC33 ohjaa digitaalista ohjaussilmukkaa tavallisen keskeytysohjatun ohjelmiston avulla. Tässä ohjelmistollisessa PID-ohjaimessa käytettävä lähtöjännite saadaan ADC-keskeytyksestä. Toista ADC-keskeytystä käytetään lämpötilan mittaukseen, ja dsPIC33-piirin analogisia komparaattoreita käytetään ylivirta- ja ylijännitesuojaukseen. PID-ohjausprosessin ja siihen liittyvien ohjaussilmukan hallintatehtävien suoritus jättää itse asiassa vapaaksi runsaasti prosessointikapasiteettia, jota voidaan käyttää erilaisiin aputoimintoihin ja valvontatehtäviin, kuten lämpötilan seurantaan, vikojen tarkkailuun sekä tiedonsiirtoon. Kaikki tämä suoritetaan suoraviivaisessa laiteohjelmistossa (kuva 3).

Kuva 3: Suunnittelijat voivat digitaalisten dsPIC33-signaaliohjaimien suorituskykyisen DSP-moottorin ja tiukasti kytkettyjen oheislaitteiden avulla toteuttaa kompleksisia digitaalisia ohjaussilmukoita helposti yksinkertaisemmalla koodilla. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Microchipin Digital Power Design Suite tukee räätälöityjä digitaalisia tehoratkaisuja aina ideoinnista halutun digitaalisen dsPIC-signaaliohjaimen laiteohjelmistototeutukseen saakka. Kehittäjät voivat sarjan DCDT-työkalun (Digital Compensator Design Tool) analysoida ohjaussilmukoita, ja MCC-työkalulla (MPLAB Code Configurator) voidaan luoda koodi, jossa käytetään Microchip Compensator Libraries ‑kirjastojen optimoituja assemblykooditoimintoja (kuva 4).

Kuva 4: Kehittäjät voivat nopeuttaa digitaalisten tehoalijärjestelmien toiminnan kannalta keskeisten optimoitujen ohjelmistopohjaisten ohjaussilmukoiden kehittämistä Microchipin kattavan työkaluketjun avulla. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden ohjaussilmukkasovellusten suunnittelijat joutuvat toteuttamaan kompakteja ratkaisuja, jotka tukevat vikojen monitoroinnin kaltaisia perusominaisuuksia laajempia lisätoimintoja, olipa kyse sitten langattomien virtalähettimien kaltaisista standardeihin perustuvista laitteista tai kompleksisemmista räätälöidyistä laitteista. Toinen referenssisuunnitelma esittää yhden ytimen digitaalisen dsPIC33CK-signaaliohjaimen käyttöä monipuolisten ominaisuuksien toteuttamiseen toisessa tärkeässä digitaalisesti ohjattuun tehomuuntoon liittyvässä sovelluksessa, langattomassa tehonsiirrossa.

Qi-yhteensopivien langattomien virtalähettimien toteutus

Älypuhelinten ja muiden mobiililaitteiden valmistajat noudattavat laajalti Wireless Power Consortiumin (WPC) Qi-standardia, joka koskee 5–15 watin langatonta tehonsiirtoa. Kuluttajat voivat sen ansiosta ladata Qi-yhteensopivat laitteita yksinkertaisesti asettamalla ne mille tahansa pinnalle, jonka alla on yhteensopiva langaton lähetin. Langattomat Qi-virtalähettimet voidaan upottaa auton sisäpintoihin tai kolmannen osapuolen lataustuotteisiin, jolloin älypuhelin voidaan ladata kätevästi ilman langallisiin kytkentöihin liittyvää hämmennystä ja mahdollista huomion herpaantumista. Microchip Technologyn langaton15 watin Qi-referenssisuunnitelma^[3] näyttää, miten dsPIC33-piirin käyttö yksinkertaistaa tällaisen alijärjestelmän toteutusta (kuva 5).

Kuva 5: dsPIC33-piirin integroidut oheislaitteet pystyvät toimimaan itsenäisesti. Ne nopeuttavat tärkeitä ohjaustehtäviä ja jättävät prosessorille kapasiteettia suorittaa muita langattomien virtalähettimien kaltaisiin kompleksisempiin sovelluksiin liittyviä tehtäviä, kuten käyttöliittymä, tiedonsiirto ja turvallisuus. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Microchip Technologyn yhden ytimen digitaaliseen dsPIC33CK256MP506-signaaliohjaimeen perustuvassa referenssisuunnitelmassa hyödynnetään digitaalisen signaaliohjaimen integroituja ominaisuuksia digitaalisen silmukan ohjauksessa. Toisin kuin edellä mainitussa resonanssimuuntimessa käytetty puolisiltaratkaisu, tämä suunnitelma perustuu kokosiltatopologiaan, mutta laitteen lukuisat PWM-lähdöt täyttävät tämän lisävaatimuksen vaivatta.

Langattomissa virransyöttimissä on yleensä useita radiotaajuisia (RF) keloja, jotka siirtävät virtaa. Tässä ratkaisussa siltainvertteri on kytketty multiplekserillä (MUX) yhteen kolmesta kelasta. Kuten kokosiltainvertteri ja jännitettä parantava etuaste, tämäkin ratkaisu hyödyntää dsPIC33-piirin integroituja oheislaitteita täysimääräisesti kelan MUX-kytkennän ohjauksessa.

dsPIC33-oheislaitteet ohjaavat Microchipin MIC4605- ja MP14700-hilaohjaimia. Lisäksi ne

• ohjaavat virtaindikaattoriledejä Microchipin MCP23008-I/O-laajentimen kautta
• huolehtivat USB-liitännästä Microchipin MCP2221A-USB-siltalaitteen kautta
• tukevat WPC-yhteensopivaa suojattua tallennusta Microchipin ATECC608-autentikointilaitteen avulla; Microchip tarjoaa tämän lisensoidun WPC-valmistajan CA-roolissa (Certificate Authority)
• huolehtivat ISO 2622 ‑standardin mukaisen toiminnallisen turvallisuuden vaatimukset täyttävästä CAN-yhteydestä Microchipin ATA6563-CAN-FD-laitteen (Flexible Data-Rate, joustava datanopeus) avulla.

Referenssisuunnitelmassa käytetään lisäksi Microchipin MCP16331-jännitteenalennusmuutinta ja MCP1755-lineaariregulaattoria, joilla tuetaan vara-akkuja.

Referenssisuunnitelmassa on melko vähän komponentteja, mutta sen avulla voidaan toteuttaa Qi-käyttöön valmis ratkaisu, joka tarjoaa kaikki tärkeimmät langattoman tehonsyöttöjärjestelmän ominaisuudet, kuten korkean höytysuhteen, laajennetun latausalueen, käyttökelpoisen Z-etäisyyden (lähettimen ja vastaanottimen välinen etäisyys), vierasesineen tunnistuksen ja useiden johtavissa älypuhelimissa käytettävien pikalatausten tuen. Suunnittelijat voivat laajentaa tätä ohjelmistopohjaista ratkaisua ja lisätä siihen helposti uusia ominaisuuksia, kuten valmistajakohtaisia lähettimen ja vastaanottimen välisiä tiedonsiirtoprotokollia sekä Bluetoothin kaltaisia langattomia yhteysratkaisuja.

Kompaktien digitaalisten valaistusjärjestelmien toteutus

dsPIC33-laitteiden integroidut toiminnot ovat erityisen tärkeitä autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden sovelluksissa, joissa täytyy pystyä lisäämään jokin sofistikoitunut ominaisuus ajoneuvon muodon kärsimättä. Erittäin tehokkaiden ledien saatavuus on tarjonnut ajoneuvojen valmistajille uusia mahdollisuuksia ajoneuvon ulkopuolisten ajovalojen ja sisävalaistuksen toteutukseen.

Näiden valaistusalijärjestelmien kehittäjät joutuvat kuitenkin yleensä puristamaan lisää toimintoja yhä pienempiin koteloihin, ja samalla täytyy noudattaa toimialan standardeja, kuten DMX, joka on valaistuslaiteketjujen ohjauksessa käytettävä yhteinen tiedonsiirtoprotokolla. Kompaktissa digitaalisessa valaistusratkaisussa^[4] hyödynnetään edellä mainitun langattoman virtalähetinratkaisun tapaan dsPIC33-piirin integroituja oheislaitteita (kuva 6).

Kuva 6: Kehittäjät voivat Microchip Technologyn digitaalisten dsPIC33-signaaliohjaimien avulla toteuttaa pienikokoisia mutta kompleksisia ratkaisuja, joissa tarvitaan vain vähän erillisiä komponentteja. Niiden avulla toiminnot voidaan sulauttaa ajoneuvoihin huomaamattomasti. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Kuten muissakin digitaalisissa tehosovelluksissa, tässä digitaalisessa valaistusratkaisussa hyödynnetään dsPIC33-piirin integroituja PWM-lähtöjä, analogisia komparaattoreita ja muita oheislaitteita täydellisen ja kompaktin valaistusratkaisun toteuttamiseksi. Edellä mainittujen suunnitteluratkaisujen tapaan myös tämä digitaalinen valaistusratkaisu perustuu digitaalisen dsPIC33- signaaliohjaimen prosessointitehoon ja sen oheislaitteiden kykyyn tarkkailla ja ohjata itsenäisesti tarvittavia ulkoisia laitteita, kuten teholaitteita, lähetin-vastaanottimia ja ledejä. Microchipin muut ratkaisuesimerkit esittelevät digitaalisten dsPIC33-signaaliohjaimien korkeaa prosessointikykyä kompleksissa digitaalisissa ohjausalgoritmeissa ja kehittyneissä moottorinohjausjärjestelmissä.

Kehittyneiden moottorinohjausjärjestelmien toteutus yhdellä digitaalisella dsPIC33-signaaliohjaimella

Digitaaliset dsPIC33-signaaliohjaimet ovat niin suorituskykyisiä, että suunnittelijat voivat toteuttaa digitaalisen ydinohjaussilmukan ja useita lisätoimintoja yhdellä ainoalla digitaalisella signaaliohjaimella. Microchipin ratkaisu kahdelle moottorille^[5] tarjoaa esimerkin anturittoman kenttäsuuntautuneen ohjaustekniikan (FOC) toteutuksesta kahdelle sykroniselle kestomagneettimoottorille (PMSM) vain yhdellä yhden ytimen digitaalisella dsPIC33CK-signaaliohjaimella. Tämä ratkaisu perustuu kummankin moottorin ohjauskanavalle – moottoriohjaimelle 1 (MC1) ja moottoriohjaimelle 2 (MC2) – syötettäviin vaihesiirrettyihin PWM-signaaleihin (kuva 7).

Kuva 7: Jo yksikin yhden ytimen digitaalinen Microchip dsPIC33CK ‑signaaliohjain on niin suorituskykyinen, että sillä voidaan toteuttaa kahden moottorin ohjausratkaisu. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Tässä ratkaisussa dsPIC33CK-piirin PWM-lähdöt konfiguroidaan generoimaan kummankin moottorin ohjauskanavalle tarvittavat aaltomuodot sekä laukaisemaan erilliset AD-muuntimet juuri oikealla hetkellä. Kun kukin ADC on saanut muunnoksen valmiiksi, se antaa keskeytyksen, jonka seurauksena dsPIC333CK suorittaa FOC-algoritmin kyseiselle lukemajoukolle.

Yhdellä digitaalisella dsPI33CK-signaaliohjaimella voidaan suorittaa myös robustimpia moottorinohjaustehtäviä. Erittäin tehokkaan sähköskootterin referenssisuunnitelmassa dsPIC33CK ohjaa useita FET-transistoreja ja Microchip MIC4104 ‑hilaohjaimia harjatonta DC-moottoria (BLDC) ohjaavassa kolmivaiheinvertterissä (kuva 8).

Kuva 8: Suunnittelijat voivat toteuttaa yhden ytimen dsPIC33CK-piirillä robustin sähköskootterin moottoriohjausalijärjestelmän, johon tarvitaan vain muutama lisäkomponentti. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Sähköskootterin referenssisuunnitelma^[6] tukee sekä anturitonta että anturillista toimintatilaa, sillä se pystyy seuraamaan sekä BLDC-moottorin sähkömotorista vastavoimaa (BEMF) että Hall-anturin lähtöä. Suunnitelmassa käytetään 18–24 voltin tulojännitettä, josta saadaan jopa 350 watin lähtöteho.

Tämän suunnitelman laajennuksessa^[7] Microchip esittelee sähkö- ja hybridiajoneuvoissa energian talteenottoon käytettävää regeneratiivista jarrutusta, jossa moottori generoi sähkömotorisen vastavoiman ajoneuvon akkujännitettä korkeammalla jännitteellä. Tässä korkeatasoisemmassa ratkaisussa käytetään dsPIC33CK-lisänastaa jarruilta tulevan signaalin seuraamiseen. Kun dsPIC33CK havaitsee jarrutuksen, se sammuttaa aivan ensimmäiseksi invertterin yläpuolen hilat, jolloin talteenotetun energian jännite nousee DC-väylän jännitettä suuremmaksi . Sen jälkeen se sammuttaa alapuolen hilat, jolloin virta pääsee kulkemaan takaisin lähteeseensä.

Suunnittelijat voivat skaalata tätä ratkaisua tukemaan kattavampia toimintoja vaihtamalla yhden ytimen dsPIC33CK-piirin tilalle kahden ytimen digitaalisen dsPIC33CH-signaaliohjaimen. Tällaisessa ratkaisussa yksi ydin pystyisi huolehtimaan BLDC-moottorin ohjauksesta ja regeneratiivisesta jarrutuksesta hyvin pienillä koodimuutoksilla, ja toinen ydin voisi suorittaa turvallisuuteen liittyviä lisätoimintoja tai korkean tason sovelluksia. Moottoriohjauksen kehitystiimit ja sovellustiimit voisivat kahden ytimen dsPIC33CH-piirin avulla työskennellä erikseen ja integroida sitten ohjaukset saumattomasti digitaalisen signaaliohjaimen suoritettaviksi.

Microchipin motorBench Development Suite tarjoaa räätälöityä moottoriohjauksen suunnittelua varten graafisen käyttöliittymän (GUI), jonka avulla suunnittelijat voivat mitata moottorin kriittisiä parametreja tarkemmin, säätää ohjaussilmukoita ja luoda lähdekoodiversion Microchipin Motor Control Application Frameworkin (MCAF) ja Motor Control Libraryn avulla.

Yhteenveto

Microchip Technologyn digitaalisten dsPIC33-signaaliohjaimien lisäksi tarvitaan melko vähän muita komponentteja erilaisten digitaalisten tehoratkaisujen toteutukseen perinteisen autoteollisuuden ja sähköisen liikkuvuuden sovelluksiin. Yhden ja kahden ytimen digitaaliset dsPIC33-signaaliohjaimet ja niitä tukevat monipuoliset ohjelmistotyökalut ja referenssisuunnitelmat tarjoavat skaalautuvan alustan, jota voidaan käyttää tehomuunnoksen, langattoman latauksen, valaistuksen ja moottoriohjauksen kaltaisten optimoitujen sovellusten nopeaan kehittämiseen.

Lähteet:

1. Dr. H. Proff et al, 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