Entwicklung besserer Systeme für die Automobilindustrie und E-Mobilität durch Verwendung digitaler Signalcontroller

Von Stephen Evanczuk

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Sowohl herkömmliche Automobil- als auch E-Mobilitätssysteme sind auf den effektiven Betrieb zahlreicher elektronischer Geräte angewiesen, die sowohl Komfortfunktionen als auch einsatzkritische Sicherheitsfunktionen bieten. Diese unterschiedlichen Anwendungen stellen zwar sehr unterschiedliche Anforderungen, erfordern aber grundsätzlich die Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zu arbeiten und dabei zuverlässig, leistungsstark und in Echtzeit zu reagieren.

Infolgedessen steigt der Bedarf an einer konsistenten, leistungsstarken, gut unterstützten und skalierbaren Plattform, die das Design und die Entwicklung einer wachsenden Zahl von Anwendungsfällen im Bereich Automotive und E-Mobility vereinfacht.

In diesem Artikel wird eine Familie von digitalen Signalcontrollern (DSCs) von Microchip Technology vorgestellt, die diese Anforderungen erfüllen können, und die Verwendung dieser DSCs in Referenzdesigns für Funktionen beschrieben, die in Automobil- und E-Mobilitätssystemen unerlässlich sind.

Vielfältige Designherausforderungen erfordern flexible Lösungen

Unabhängig davon, ob sie für konventionelle oder elektrische Fahrzeuge entwickelt werden, müssen sich die Entwickler mit einer wachsenden Zahl von Anwendungen befassen, darunter Subsysteme zur Energieumwandlung, drahtloses Laden im Fahrzeug, digitale Beleuchtungssysteme und Motorsteuerungssysteme, die von relativ einfachen Schrittmotoranwendungen bis hin zu komplexen regenerativen Bremssystemen in Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) reichen. Neben den einsatzkritischen Anforderungen an die funktionale Sicherheit gewinnen die Anforderungen an den Design-Footprint und die Stückliste immer mehr an Bedeutung, da die Fahrzeughersteller auf die Nachfrage der Verbraucher und den Wettbewerbsdruck nach mehr Sicherheit, Komfort, Funktionalität und Leistung reagieren.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat sich die Industrie bereits in fast allen Teilsystemen des Fahrzeugs stark auf digitale Lösungen verlegt. Die Subsysteme in herkömmlichen Personenkraftwagen sind bereits mit Mikrocontrollern (MCUs) ausgestattet, auf denen viermal mehr Softwarecode läuft als in Verkehrsflugzeugen[1].

Angesichts der steigenden Nachfrage und des Wettbewerbsdrucks können frühere Mikrocontroller-Lösungen jedoch den vielfältigen Anforderungen, mit denen Automobilentwickler heute konfrontiert sind, nicht mehr gerecht werden. Der Bedarf an verschiedenen Stromschienen in immer mehr elektronischen Subsystemen und die damit verbundene Hochspannungs-DC/DC-Wandlerfunktionalität, insbesondere in Elektrofahrzeugen, erfordert anspruchsvollere digitale Steuerungsmöglichkeiten. Andere Anwendungen wie das kabellose Laden von Mobilgeräten im Fahrzeug stellen völlig neue Anforderungen an die Konstruktion von kabellosen Mehrspulensendern, die mit den standardmäßigen Stromempfängern kompatibel sind, die in immer mehr Verbrauchergeräten eingebaut werden. Fahrzeugbeleuchtungsdesigns müssen technische Merkmale wie Dimmen, Temperatur, Komponentenalterung und andere berücksichtigen, um hellere Scheinwerfer, angenehme Farben und Dimm-Effekte in Armaturenbrettern zu ermöglichen. Schließlich sind digital gesteuerte Präzisionsmotoren auch in konventionellen Fahrzeugen allgegenwärtig und bilden natürlich die funktionale Grundlage für die E-Mobilität.

Die DSC-Familie dsPIC33 von Microchip Technology wurde speziell entwickelt, um diese unterschiedlichen Anforderungen mit Hilfe von Familienmitgliedern mit speziellen funktionalen Fähigkeiten zu erfüllen. Das neueste Mitglied dieser Familie, der dsPIC33C, erweitert die Leistung und die Möglichkeiten der DSCs dsPIC33E und dsPIC33F für Entwickler, die anspruchsvollere Anwendungen anstreben.

Diese DSCs basieren auf einem digitalen Signalprozessor(DSP)-Kern und kombinieren die Einfachheit einer MCU mit der Leistung eines DSP, um die steigenden Anforderungen an hohe Leistung, niedrige Latenz und Echtzeitfähigkeit zu erfüllen und gleichzeitig den Platzbedarf und die Stückliste zu minimieren. Mit dem umfangreichen Microchip-Ökosystem von dsPIC33-Entwicklungsboards, Referenzdesigns und Software-Entwicklungstools können Entwickler auf verschiedene Mitglieder der dsPIC33-Familie zurückgreifen, um ihre Designs so zu skalieren, dass sie die breite Palette von Anwendungen im Herzen von Automobil- und E-Mobilitätssystemen liefern.

Eine effektivere Hardwarebasis für Automobil- und E-Mobilitätskonzepte

Die dsPIC33C-Familie von Microchip wurde speziell entwickelt, um die Latenzzeit zu reduzieren und die Ausführung von softwarebasierten digitalen Hochgeschwindigkeits-Regelkreisen zu beschleunigen, die vielen Subsystemen im Automobilbereich zugrunde liegen. Um diese Fähigkeit zu erreichen, integrieren diese Bausteine eine DSP-Engine, Hochgeschwindigkeitsregister und eng gekoppelte Peripheriekomponenten, darunter mehrere Analog/Digital-Wandler (ADCs), Digital/Analog-Wandler (DACs), Analogkomparatoren und Operationsverstärker.

Funktionen wie der Einzyklus-16x16-MAC (Multiplikator-Akkumulator) der DSP-Engine mit 40-Bit-Akkumulator, Zero-Overhead-Looping und Barrel-Shifting sorgen für eine schnelle Ausführung digitaler Regelschleifen. Peripheriefunktionen wie Pulsbreitenmodulatoren (PWM) mit einer Auflösung von 150 Pikosekunden (ps), Capture/Compare/PWM(CCP)-Timer, ein peripherer Triggergenerator und eine benutzerprogrammierbare, konfigurierbare Logikzelle ermöglichen den unabhängigen Betrieb von Präzisionsregelkreisen.

Die umfangreiche On-Chip-Funktionalität dieser Bausteine in Gehäusen mit einer Größe von nur 5 x 5 Millimetern (mm) hilft den Entwicklern, die Anforderungen an kleinere Bausteine in schlanken Automobilsystemen zu erfüllen und eine minimale Grundfläche und Stückzahl zu erreichen. Zur weiteren Vereinfachung von Automotive-Designs unterstützen diese Komponenten mehrere Kommunikationsschnittstellen, darunter CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) und DMX (Digital Multiplex), die in modernen Automotive-Systemen verwendet werden. Darüber hinaus sind diese Komponenten in verschiedenen Speichergrößen sowohl in Single- als auch in Dual-Core-Konfigurationen erhältlich und bieten die Art von skalierbarer Lösung, die für fortschrittliche Automobil- und E-Mobility-Anwendungen erforderlich ist.

Diese für den Einsatz in rauen Automobilumgebungen vorgesehenen Bauteile sind nach AEC-Q100 Klasse 0 qualifiziert und erfüllen die anspruchsvollen Anforderungen für den Betrieb unter der Motorhaube in einem erweiterten Temperaturbereich von -40°C bis +150°C. Besonders wichtig für unternehmenskritische Automotive-Designs ist, dass ausgewählte Mitglieder der dsPIC33-Familie für die funktionale Sicherheit vorbereitet sind, um die Einhaltung von Sicherheitsspezifikationen wie ISO 26262 (ASIL A oder ASIL B), IEC 61508 (SIL 2) und IEC 60730 (Klasse B) zu erleichtern. Die Mitglieder der dsPIC33-Familie verfügen über spezielle Sicherheits-Hardware-Funktionen wie einen Deadman-Timer, einen Watchdog-Timer, eine ausfallsichere Taktüberwachung, einen Arbeitsspeicher (RAM), einen integrierten Selbsttest (BIST) und einen fehlerkorrigierenden Code.

Für die Softwareentwicklung sind die C-Compiler MPLAB XC von Microchip vom TÜV SÜD für funktionale Sicherheit zertifiziert, und in einigen Fällen sind Diagnose-Softwarebibliotheken verfügbar. Darüber hinaus liefert Microchip die zugehörigen Berichte über Fehlermodi, Auswirkungen und Diagnoseanalysen (FMEDA) sowie die Sicherheitshandbücher, die im Rahmen des Sicherheitszertifizierungsprozesses benötigt werden.

Hardware-Sicherheitsfunktionen und Entwicklungsfähigkeiten, die für die Zertifizierung der funktionalen Sicherheit erforderlich sind, sind nur ein Teil eines umfangreichen Entwicklungssystems, das dsPIC33-basierte Designs sowohl für konventionelle Automobile als auch für Elektrofahrzeuge unterstützt. Aufbauend auf der integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) MPLAB X bietet Microchip einen umfangreichen Satz an spezialisierten Design-Tools und Bibliotheken für verschiedene Anwendungsbereiche (siehe unten).

Um die Entwicklung mit der dsPIC33-Familie weiter zu beschleunigen, bietet Microchip ein umfangreiches Ökosystem von dsPIC33-Entwicklungsboards sowie Design-Ressourcen zum Herunterladen an, darunter Hintergrundartikel, Anwendungshinweise und Referenzdesigns. Zu diesen Ressourcen gehören mehrere dsPIC33C-Referenzdesigns, die verschiedene wichtige Anwendungsbereiche im Automobilbereich und in der Elektromobilität adressieren, darunter drahtloses Laden, digitale Beleuchtung, Leistungswandlung und Motorsteuerung. Neben der Demonstration des Einsatzes eines dsPIC33C-DSC in jedem Bereich können diese Referenzdesigns und die zugehörige Software auch als Ausgangspunkt für die Implementierung von kundenspezifischen Designs dienen.

Implementierung digitaler Präzisionsregelkreise für die Leistungsumwandlung

Regelkreise sind das Herzstück vieler Automobil- und E-Mobilitätsanwendungen, und einer ihrer wichtigsten Einsatzbereiche in diesen Anwendungen ist die grundlegende Notwendigkeit der Energieumwandlung. Eine effiziente Gleichstromwandlung ist in konventionellen Automobilsystemen nach wie vor wichtig und in Hochspannungs-Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen unverzichtbar. In diesen Systemen muss die Batteriespannung von 200 bis 800 Volt sicher und effizient auf das 12- oder 48-Volt-Niveau heruntergefahren werden, das für den Betrieb der Außen- und Innenbeleuchtung sowie der Motoren für Scheibenwischer, Fensterheber, Lüfter und Pumpen erforderlich ist.

In einem 200 Watt (W) DC/DC-LLC-Resonanzwandler-Referenzdesign[2] (drei reaktive Elemente: zwei induktive und ein kapazitives) ermöglicht ein einzelner dsPIC33-Baustein eine kompakte digitale Lösung für die schaltbare Leistungsumwandlung, wobei einer seiner integrierten PWMs zur Ansteuerung von Halbbrücken-MOSFETs im Regelkreis verwendet wird (Abbildung 1).

Diagramm des DC/DC-LLC-Resonanzwandler-Referenzdesigns von Microchip Technology Abbildung 1: Das DC/DC-LLC-Resonanzwandler-Referenzdesign von Microchip Technology basiert auf einem einzigen dsPIC33-DSC zur digitalen Verwaltung des Regelkreises im Herzen eines Leistungswandlerdesigns. (Bildquelle: Microchip Technology)

In Abbildung 2 isoliert der Resonanzwandler die primärseitige Hochspannung (schwarze Linien) von der sekundärseitigen 12-Volt-Versorgung (blaue Linien) für die MOSFET-Treiber (D) und der 3-Volt-Versorgung für den dsPIC33-DSC und andere analoge Komponenten (A).

Schema der dsPIC33-DSCs von Mikrochip (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 2: Mit seiner spezialisierten Peripherie trägt der dsPIC33-DSC dazu bei, Designs zu vereinfachen und die Anzahl der Bauteile zu reduzieren. Hier werden die integrierten PWMs und Peripheriefunktionen zur Steuerung externer MOSFETs (D) und anderer analoger Komponenten (A) verwendet. (Bildquelle: Mikrochip-Technologie)

In diesem Design verwendet der dsPIC33 ein grundlegendes interruptgesteuertes Software-Design, um den digitalen Regelkreis zu verwalten. Hier wird ein ADC-Interrupt verwendet, um die Ausgangsspannung zu erfassen, die im Software-PID-Regler (PID: Proportional-Integral-Differential) verwendet wird. Ein weiterer ADC-Interrupt unterstützt die Temperaturerfassung, während die Analogkomparatoren des dsPIC33 die Erkennung von Überstrom- und Überspannungsereignissen unterstützen. Die Ausführung des PID-Regelungsprozesses und der damit verbundenen Regelkreisverwaltungsaufgaben lässt viel Verarbeitungsspielraum für Haushalts- und Überwachungsaufgaben, einschließlich Temperaturüberwachung, Fehlerüberwachung und Kommunikation, und das alles innerhalb einer einfachen Firmware-Verarbeitungssequenz (Abbildung 3).

Diagramm der Hochleistungs-DSP-Engine der dsPIC33-DSCs von MicrochipAbbildung 3: Die leistungsstarke DSP-Engine des dsPIC33-DSCs und die eng gekoppelte Peripherie ermöglichen es Entwicklern, komplexe digitale Regelkreise mit einfacherem Code zu implementieren. (Bildquelle: Microchip Technology)

Für Entwickler, die speziellere digitale Stromversorgungslösungen entwickeln möchten, unterstützt die Digital Power Design Suite von Microchip Designs von der Konzeption bis zur Erstellung von Firmware für einen dsPIC-DSC. Aufbauend auf den Fähigkeiten der dsPIC-DSC-Hardware verwenden Entwickler das Digital Compensator Design Tool (DCDT) der Suite, um Regelkreise zu analysieren, und den MPLAB Code Configurator (MCC), um Code zu generieren, der optimierte Assembler-Funktionen in den Microchip Compensator Libraries verwendet (Abbildung 4).

Diagramm der umfassenden Toolkette von MicrochipAbbildung 4: Entwickler können auf die umfassende Toolkette von Microchip zurückgreifen, um die Entwicklung optimierter softwarebasierter Regelkreise im Herzen digitaler Leistungssubsysteme zu beschleunigen. (Bildquelle: Microchip Technology)

Unabhängig davon, ob sie auf Standards basierende Geräte wie drahtlose Stromtransmitter bauen oder komplexere kundenspezifische Geräte implementieren, müssen Entwickler von Regelkreisen in der Automobil- und Elektromobilität kompakte Lösungen implementieren, die über die Basisfunktionen hinaus zusätzliche Funktionen wie Fehlerüberwachung unterstützen. Ein weiteres Referenzdesign veranschaulicht den Einsatz eines Single-Core-DSC dsPIC33CK mit einer Vielzahl von Funktionen in einer weiteren wichtigen Anwendung der digital gesteuerten Leistungsumwandlung - der drahtlosen Energieübertragung.

Implementierung von Qi-kompatiblen kabellosen Energiesendern

Der Qi-Standard des Wireless Power Consortium (WPC) für die kabellose Energieübertragung mit einer Leistung von 5 bis 15 Watt wird von den Herstellern von Smartphones und anderen mobilen Geräten weitgehend übernommen. Eingebettet in die Oberflächen des Fahrzeuginnenraums oder in Ladegeräte von Drittanbietern bieten die kabellosen Qi-Sender eine bequeme Methode zum Aufladen von Smartphones, die die Verwirrung und potenzielle Ablenkung durch kabelgebundene Stromanschlüsse vermeidet. Das 15-Watt-Qi-Referenzdesign von Microchip Technology für die drahtlose Stromversorgung[3] veranschaulicht die Verwendung eines dsPIC33 zur Vereinfachung der Implementierung dieser Art von Subsystem (Abbildung 5).

Schema der im dsPIC33 von Mikrochip integrierten Peripheriekomponenten (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 5: Die integrierten Peripheriebausteine des dsPIC33 können unabhängig voneinander arbeiten, um wichtige Steuerungsaufgaben zu beschleunigen, so dass ein Verarbeitungsspielraum für die Ausführung anderer Aufgaben wie Benutzerschnittstellen, Kommunikation und Sicherheit in komplexeren Anwendungen wie drahtlosen Stromübertragern bleibt. (Bildquelle: Mikrochip-Technologie)

Das Referenzdesign basiert auf einem Single-Core-DSC dsPIC33CK256MP506 von Microchip Technology und nutzt die integrierten Fähigkeiten des DSC für die Implementierung eines digitalen Regelkreises. Obwohl dieser Entwurf auf einer Vollbrückentopologie und nicht auf der Halbbrücke des oben erwähnten Resonanzwandlers basiert, erfüllen die PWMs der Komponente diese zusätzliche Anforderung problemlos.

Drahtlose Energiesender verfügen in der Regel über mehrere Hochfrequenz(HF)-Spulen zur Energieübertragung, und in diesem Entwurf ist der Brückenwechselrichter über einen Multiplexer (MUX) mit einer der drei Spulen verbunden. Wie der Vollbrücken-Inverter und das Spannungsaufbereitungs-Frontend nutzt auch dieses Design die Vorteile der integrierten Peripherie des dsPIC33 zur Verwaltung der Spulen-MUX-Schaltung.

Der dsPIC33 steuert nicht nur die Gatetreiber MIC4605 und MP14700 von Microchip, sondern auch Peripheriekomponenten:

  • Steuerung von Leuchtdioden (LEDs) zur Leistungsanzeige über einen I/O-Expander MCP23008 von Microchip
  • Bereitstellung von USB-Verbindungen über einen USB-Brückenbaustein MCP2221A von Microchip
  • Unterstützung der WPC-konformen sicheren Speicherung durch eine Authentifizierungskomponente ATECC608 von Microchip, das Microchip als lizenzierte WPC-Hersteller-Zertifizierungsstelle (CA) bereitstellt
  • Bereitstellung einer ISO2622-fähigen CAN-Vernetzung durch einen CAN-Baustein ATA6563 von Microchip mit flexibler Datenrate (FD)

Darüber hinaus verwendet das Referenzdesign den Abwärtswandler MCP16331 und den Linearregler MCP1755 von Microchip zur Unterstützung der zusätzlichen Batterieleistung.

Mit dieser relativ kleinen Stückliste bietet das Referenzdesign eine für Qi vorbereitete Lösung, die alle wichtigen Merkmale eines drahtlosen Stromversorgungssystems aufweist, einschließlich hoher Effizienz, erweitertem Ladebereich, nützlicher Z-Distanz (Abstand zwischen Sender und Empfänger), Fremdkörpererkennung und Unterstützung für mehrere Schnelllade-Implementierungen, die in führenden Smartphones verwendet werden. Durch den Aufbau auf diesem softwarebasierten Design können Entwickler problemlos Funktionen wie proprietäre Kommunikationsprotokolle zwischen Sender und Empfänger und drahtlose Verbindungsoptionen wie Bluetooth hinzufügen.

Implementierung kompakter digitaler Beleuchtungslösungen

Die integrierte Funktionalität der dsPIC33-Bausteine ist besonders wichtig für Anwendungen im Automobilbereich und in der Elektromobilität, die das Hinzufügen einiger anspruchsvoller Funktionen erfordern, ohne die Linien des Fahrzeugs zu stören. Die Verfügbarkeit von Hochleistungs-LEDs hat es den Fahrzeugherstellern ermöglicht, das Design von Außenscheinwerfern und Innenbeleuchtung zu verbessern.

Die Entwickler dieser Beleuchtungs-Subsysteme müssen jedoch in der Regel mehr Funktionen in kleinere Pakete quetschen und gleichzeitig Industriestandards wie DMX unterstützen, das ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll für die Steuerung von Beleuchtungsketten bietet. Wie der oben erwähnte drahtlose Stromversorgungssender nutzt auch der Entwurf für eine kompakte digitale Beleuchtungslösung[4] die Vorteile der integrierten Peripherie des dsPIC33 (Abbildung 6).

Diagramm der dsPIC33-DSCs von Microchip Technology (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 6: Die dsPIC33-DSCs von Microchip Technology ermöglichen es Entwicklern, komplexe Designs mit minimalem Platzbedarf und minimaler Stückzahl zu entwickeln, die für die unauffällige Integration von Funktionen in Fahrzeuge erforderlich sind. (Bildquelle: Mikrochip-Technologie)

Wie bei anderen digitalen Stromversorgungsanwendungen nutzt auch dieses digitale Beleuchtungsdesign die Vorteile der integrierten PWMs, Analogkomparatoren und anderer Peripheriebausteine des dsPIC33, um eine komplette, kompakte digitale Beleuchtungslösung zu bieten. Wie bei den oben erwähnten Designanwendungen verlässt sich diese digitale Beleuchtungslösung auf die Verarbeitungsleistung des dsPIC33-DSC und die Fähigkeit seiner Peripheriebausteine, unabhängig zu arbeiten, um die erforderlichen externen Komponenten, einschließlich Stromversorgungen, Transceiver, LEDs und mehr, zu überwachen und zu steuern. Andere Designbeispiele von Microchip zeigen die hohe Leistungsfähigkeit der dsPIC33-DSCs bei der Verarbeitung komplexer digitaler Steuerungsalgorithmen und fortschrittlicher Motorsteuerungssysteme.

Implementierung von fortschrittlichen Motorsteuerungssystemen mit einem einzigen dsPIC33-DSC

Die Leistungsfähigkeit der dsPIC33-DSCs ermöglicht es Entwicklern, einen einzigen DSC für die Ausführung des digitalen Kernregelkreises sowie für verschiedene Hilfsfunktionen zu verwenden. Ein Dual-Motor-Design[5] von Microchip demonstriert die Implementierung einer sensorlosen, feldorientierten Steuerung (FOC) eines Paares von Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) mit nur einem Single-Core-DSC dsPIC33CK. Der Schlüssel zu diesem Entwurf liegt in der Phasenverschiebung der PWM-Signale zu den Umrichtern für jeden Motorsteuerungskanal, Motorsteuerung 1 (MC1) und Motorsteuerung 2 (MC2) (Abbildung 7).

Diagramm des Single-Core-DSC dsPIC33CK von Microchip, der Dual-Motor-Control-Designs unterstützt (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 7: Aufgrund der hohen Verarbeitungsleistung und der integrierten Peripherie kann der Single-Core-DSC dsPIC33CK Designs mit zwei Motoren unterstützen. (Bildquelle: Mikrochip-Technologie)

Bei diesem Ansatz werden die PWMs des dsPIC33CK so konfiguriert, dass sie die benötigten Wellenformen für jeden Motorsteuerungskanal erzeugen und separate ADCs zum optimalen Zeitpunkt ansteuern. Wenn jeder ADC die Umwandlung abgeschlossen hat, gibt er einen Interrupt aus, der den dsPIC333CK veranlasst, den FOC-Algorithmus für diesen Satz von Messwerten auszuführen.

Ein einzelner dsPI33CK-DSC kann auch robustere Motorsteuerungsanwendungen bewältigen. In einem Referenzdesign für einen Hochleistungs-Elektroroller (E-Scooter) steuert ein dsPIC33CK mehrere FETs und Gate-Treiber MIC4104 von Microchip für einen dreiphasigen Wechselrichter, der einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) antreibt (Abbildung 8).

Diagramm des robusten E-Scooter-Motorsteuerungs-Teilsystems (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 8: Mit einem Single-Core-dsPIC33CK können Entwickler ein robustes E-Scooter-Motorsteuerungs-Subsystem mit nur wenigen zusätzlichen Komponenten implementieren. (Bildquelle: Mikrochip-Technologie)

Das E-Scooter-Referenzdesign[6] unterstützt sowohl sensorlose als auch Sensor-Betriebsmodi, da es in der Lage ist, die elektromotorische Gegenkraft (BEMF) des BLDC-Motors sowie den Hall-Effekt-Sensorausgang zu überwachen. Mit einer Eingangsspannungsquelle von 18 bis 24 Volt erreicht das Design eine maximale Ausgangsleistung von 350 Watt.

In einer weiteren Erweiterung dieses Designs[7] demonstriert Microchip das Hinzufügen von regenerativem Bremsen, das in EVs und HEVs verwendet wird, um Energie zurückzugewinnen, da der Motor BEMF bei höheren Spannungsniveaus als die Fahrzeugbatterieversorgung erzeugt. Hier verwendet das erweiterte Design einen zusätzlichen dsPIC33CK-Pin zur Überwachung des von der Bremse kommenden Signals. Wenn eine Bremsung erkannt wird, schaltet der dsPIC33CK zunächst die High-Side-Gates des Wechselrichters aus, um die zurückgewonnene elektrische Energie auf einen Wert zu erhöhen, der höher ist als die Zwischenkreisspannung, und schaltet dann die Low-Side-Gates aus, damit der Strom zurück zur Quelle fließen kann.

Entwickler könnten dieses Design skalieren, um eine größere Funktionalität zu unterstützen, indem sie den Single-Core-dsPIC33CK durch einen Dual-Core-DSC dsPIC33CH ersetzen. In einem solchen Design könnte ein Kern die BLDC-Motorsteuerung und die regenerative Bremsfunktion mit minimalen Code-Änderungen verwalten, während der andere zusätzliche Sicherheitsfunktionen oder High-Level-Anwendungen ausführen könnte. Mit dem Dual-Core-dsPIC33CH können Motorsteuerungs-Entwicklungsteams und Anwendungsentwicklungsteams getrennt voneinander arbeiten und ihre Steuerungen nahtlos zur Ausführung auf dem DSC integrieren.

Für kundenspezifische Motorsteuerungsdesigns bietet die motorBench Development Suite von Microchip ein Toolset mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI), das Entwicklern hilft, kritische Motorparameter genauer zu messen, Regelkreise abzustimmen und Quellcode zu generieren, der auf dem Motor Control Application Framework (MCAF) und der Motor Control Library von Microchip aufbaut.

Fazit

Mit den dsPIC33-DSCs von Microchip Technology benötigen Entwickler nur relativ wenige zusätzliche Komponenten, um ein breites Spektrum an digitalen Leistungsdesigns für konventionelle Automobil- und E-Mobility-Anwendungen zu implementieren. Die Single-Core- und Dual-Core-dsPIC33-DSCs bieten eine skalierbare Plattform für die schnelle Entwicklung von optimierten Lösungen für Energieumwandlung, drahtloses Aufladen, Beleuchtung und Motorsteuerung, um nur einige zu nennen.

Referenzen:

  1. Dr. H. Proff et al, 2020. Software verändert die Automobilwelt. Einblicke von Deloitte. (Englisch)
  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. Duale Motorsteuerung mit dem dsPIC33CK - Hintergrundartikel (Englisch)
  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

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk hat mehr als 20 Jahre Erfahrung im Schreiben für und über die Elektronikindustrie zu einem breiten Spektrum von Themen wie Hardware, Software, Systeme und Anwendungen einschließlich des IoT. Er promoviertein Neurowissenschaften über neuronale Netzwerke und arbeitete in der Luft- und Raumfahrtindustrie an massiv verteilten sicheren Systemen und Methoden zur Beschleunigung von Algorithmen. Derzeit, wenn er nicht gerade Artikel über Technologie und Ingenieurwesen schreibt, arbeitet er an Anwendungen des tiefen Lernens (Deep Learning) zu Erkennungs- und Empfehlungssystemen.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key