如何使用數(shù)字信號控制器構(gòu)建更好的汽車和電動汽車系統(tǒng)

傳統(tǒng)的汽車和電動汽車系統(tǒng)都依賴于無數(shù)電子設(shè)備的有效運行，以實現(xiàn)便利功能以及關(guān)鍵任務(wù)功能安全功能。雖然提出了各種各樣的要求，但這些不同的應(yīng)用從根本上要求能夠在極端條件下運行，同時提供可靠、高性能的實時響應(yīng)。

因此，開發(fā)人員對一個一致、強大、支持良好且可擴展的平臺的需求不斷增長，該平臺能夠幫助簡化不斷擴大的汽車和電動汽車用例的設(shè)計和開發(fā)。

本文討論了Microchip Technology的一系列數(shù)字信號控制器（DSC），這些控制器可以滿足這些要求，并介紹了這些DSC在汽車和電動汽車系統(tǒng)中必不可少的功能參考設(shè)計中的應(yīng)用。

多樣化的設(shè)計挑戰(zhàn)需要靈活的解決方案

無論是為傳統(tǒng)車輛還是電動汽車設(shè)計，開發(fā)人員都需要解決越來越多的應(yīng)用問題，包括功率轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、車載無線充電、數(shù)字照明系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)，從相對簡單的步進電機應(yīng)用到電動汽車 （EV） 和混合動力汽車 （HEV） 中復雜的再生制動系統(tǒng)。隨著對功能安全的關(guān)鍵任務(wù)要求，隨著汽車制造商努力應(yīng)對消費者需求和競爭壓力，要求在更高的安全性、便利性、功能性和性能方面，設(shè)計占地面積和物料清單 （BOM） 要求的重要性不斷提高。

為了滿足這些要求，該行業(yè)已經(jīng)在幾乎每個車輛子系統(tǒng)中都急劇轉(zhuǎn)向數(shù)字解決方案。傳統(tǒng)乘用車的子系統(tǒng)已經(jīng)依賴于微控制器（MCU），其運行的軟件代碼是商用飛機的四倍。[1].

然而，隨著需求和競爭壓力的不斷變化，早期的微控制器解決方案可能無法滿足汽車設(shè)計人員目前面臨的一系列要求。在更多的電子子系統(tǒng)中需要不同的電源軌以及相關(guān)的高壓DC/DC轉(zhuǎn)換功能，特別是在電動汽車中，需要更復雜的數(shù)字控制功能。其他應(yīng)用（如移動設(shè)備的車載無線充電）為多線圈無線電源發(fā)射器引入了許多全新的設(shè)計要求，這些發(fā)射器與更多消費類設(shè)備中內(nèi)置的行業(yè)標準功率接收器兼容。車輛照明設(shè)計需要解決調(diào)光、溫度、組件老化等技術(shù)特征，以便在儀表板中提供更亮的前照燈、賞心悅目的色彩和調(diào)光效果。最后，即使在傳統(tǒng)車輛中，精密數(shù)控電機也無處不在，當然，它為電動汽車提供了功能基礎(chǔ)。

Microchip Technology 的dsPIC33 DSC 系列專為滿足這些不同的要求而設(shè)計，使用具有專用功能的系列成員。該系列的最新成員dsPIC33C擴展了dsPIC33E和dsPIC33F DSC的性能和功能，適合面向更復雜應(yīng)用的開發(fā)人員。

這些 DSC 基于數(shù)字信號處理器 （DSP） 內(nèi)核，將 MCU 的簡單性與 DSP 的性能相結(jié)合，以滿足對高性能、低延遲、實時功能不斷變化的要求，同時保持最小的占用空間和 BOM。利用Microchip廣泛的dsPIC33開發(fā)板、參考設(shè)計和軟件開發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)人員可以利用dsPIC33系列的不同成員來擴展其設(shè)計，以提供汽車和電動汽車系統(tǒng)核心的廣泛應(yīng)用。

為汽車和電動汽車設(shè)計提供更有效的硬件基礎(chǔ)

Microchip的dsPIC33C系列專門設(shè)計用于減少許多汽車子系統(tǒng)底層基于軟件的高速數(shù)字控制環(huán)路的延遲并加快執(zhí)行速度。為了實現(xiàn)這一特性，這些器件集成了 DSP 引擎、高速寄存器和緊密耦合的外設(shè)，包括多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、模擬比較器和運算放大器。

DSP 引擎的單周期 16 x 16 乘法累加 （MAC） 與 40 位累加器、零開銷環(huán)路和桶形換檔等特性可確保高速執(zhí)行數(shù)字控制環(huán)路。150 皮秒 （ps） 分辨率脈寬調(diào)制器 （PWM）、捕獲/比較/PWM （CCP） 定時器、外設(shè)觸發(fā)發(fā)生器和用戶可編程可配置邏輯單元等外設(shè)功能可實現(xiàn)精密控制環(huán)路接口的獨立操作。

這些器件采用小至 5 x 5 毫米 （mm） 的封裝，具有廣泛的片上功能，可幫助開發(fā)人員實現(xiàn)最小的尺寸和 BOM，以滿足時尚汽車系統(tǒng)中對較小器件的要求。這些器件進一步簡化了汽車設(shè)計，支持多種通信接口，包括控制器局域網(wǎng) （CAN）、本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 和高級汽車系統(tǒng)中使用的數(shù)字多路復用 （DMX）。此外，這些器件在單核和雙核配置中具有不同的內(nèi)存大小，可提供高級汽車和電動汽車應(yīng)用所需的可擴展解決方案。

這些器件適用于惡劣的汽車環(huán)境，符合 AEC-Q100 0 級標準，能夠滿足引擎蓋下操作的嚴格要求，并支持 –40°C 至 +150°C 的擴展溫度范圍。 對于任務(wù)關(guān)鍵型汽車設(shè)計而言，最重要的是，選定的dsPIC33系列成員具有功能安全功能，可輕松遵守ISO 26262（ASIL A或ASIL B）、IEC 61508（SIL 2）和IEC 60730（B類）等安全規(guī)范。這些dsPIC33系列成員集成了專門的安全硬件功能，包括死角定時器、看門狗定時器、故障安全時鐘監(jiān)控、隨機存取存儲器（RAM）、內(nèi)置自檢（BIST）和糾錯碼。

對于軟件開發(fā)，Microchip的MPLAB XC C編譯器已通過TüV SUD功能安全認證，并且在某些情況下可以使用診斷軟件庫。此外，Microchip還提供相關(guān)的故障模式，影響和診斷分析（FMEDA）報告和安全手冊，作為安全認證過程的一部分。

功能安全認證所需的硬件安全特性和開發(fā)能力只是支持基于dsPIC33的傳統(tǒng)汽車和電動汽車設(shè)計的豐富開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的一部分?；谄銶PLAB X集成開發(fā)環(huán)境（IDE），Microchip為不同的應(yīng)用領(lǐng)域提供了廣泛的專業(yè)設(shè)計工具和庫，如下所述。

為了幫助進一步加快dsPIC33系列的開發(fā)速度，Microchip提供了豐富的dsPIC33開發(fā)板生態(tài)系統(tǒng)以及可下載的設(shè)計資源，包括白皮書、應(yīng)用說明和參考設(shè)計。在這些資源中，有多個dsPIC33C參考設(shè)計涉及幾個關(guān)鍵的汽車和電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域，包括無線充電、數(shù)字照明、電源轉(zhuǎn)換和電機控制。除了演示 dsPIC33C DSC 在每個領(lǐng)域的使用外，這些參考設(shè)計和相關(guān)軟件還可以作為實施定制設(shè)計的起點。

實現(xiàn)用于功率轉(zhuǎn)換的精密數(shù)字控制環(huán)路

控制環(huán)路是許多汽車和電動汽車應(yīng)用的核心，在這些應(yīng)用中，它們最關(guān)鍵的用途之一是滿足電源轉(zhuǎn)換的基本需求。高效的DC-DC轉(zhuǎn)換在傳統(tǒng)汽車系統(tǒng)中仍然很重要，在高壓電動和混合動力電動汽車中也至關(guān)重要。在這些系統(tǒng)中，200-800 伏電池電壓需要安全有效地降低到運行外部和內(nèi)部照明所需的 12 伏或 48 伏電平，以及用于雨刷器、窗戶、風扇和泵的電動機。

在 200 W （W） DC/DC LLC（三個無功元件：兩個電感元件和一個電容式）諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計中[2]，單個dsPIC33器件利用其集成的PWM之一驅(qū)動控制環(huán)路中的半橋MOSFETS，為開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換提供緊湊的數(shù)字解決方案（圖1）。

圖 1：Microchip Technology 的 DC/DC LLC 諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計依靠單個 dsPIC33 DSC 對電源轉(zhuǎn)換設(shè)計核心的控制環(huán)路進行數(shù)字管理。（圖片來源：微芯科技）

在圖2中，諧振變壓器將原邊高壓（黑線）與MOSFET驅(qū)動器（D）的次級12 V電源（藍線）和dsPIC33 DSC及其他模擬（A）元件的3 V電源隔離。

圖 2：dsPIC33 DSC 采用專用外設(shè)，有助于簡化設(shè)計并減少器件數(shù)量，這里使用其集成的 PWM 和外設(shè)功能來控制外部 MOSFET （D） 和其他模擬 （A） 元件。（圖片來源：微芯科技）

在該設(shè)計中，dsPIC33采用基本的中斷驅(qū)動軟件設(shè)計來管理數(shù)字控制環(huán)路。這里，ADC中斷用于獲取軟件比例-積分-微分（PID）控制器中使用的輸出電壓。另一個ADC中斷支持溫度檢測，而dsPIC33的模擬比較器支持過流和過壓事件檢測。事實上，PID 控制過程和相關(guān)控制回路管理任務(wù)的執(zhí)行為內(nèi)務(wù)管理和監(jiān)視任務(wù)（包括溫度監(jiān)視、故障監(jiān)視和通信）留下了充足的處理余地，所有這些都在一個簡單的固件處理序列中（圖 3）。

圖 3：dsPIC33 DSC 的高性能 DSP 引擎和緊密耦合的外設(shè)使開發(fā)人員能夠以更簡單的代碼輕松實現(xiàn)復雜的數(shù)字控制環(huán)路。（圖片來源：微芯科技）

對于希望構(gòu)建更專業(yè)的數(shù)字電源解決方案的開發(fā)人員，Microchip的數(shù)字電源設(shè)計套件支持從概念到生成目標dsPIC DSC固件的設(shè)計?；?dsPIC DSC 硬件功能，開發(fā)人員使用套件的數(shù)字補償器設(shè)計工具 （DCDT） 來分析控制環(huán)路，并使用 MPLAB 代碼配置器 （MCC） 生成使用微芯片補償器庫中優(yōu)化的匯編代碼函數(shù)的代碼（圖 4）。

圖 4：開發(fā)人員可以利用 Microchip 的綜合工具鏈來加速開發(fā)數(shù)字電源子系統(tǒng)核心的基于軟件的優(yōu)化控制環(huán)路。（圖片來源：微芯科技）

無論是構(gòu)建基于標準的設(shè)備（如無線電源發(fā)射器）還是實施更復雜的定制設(shè)備，汽車和電動汽車控制環(huán)路應(yīng)用的設(shè)計人員都需要實施緊湊型解決方案，以支持故障監(jiān)控等基線功能之外的其他功能。另一個參考設(shè)計說明了單核dsPIC33CK DSC 在數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換的另一個重要應(yīng)用 — 無線電力傳輸中提供一組豐富的功能。

實施符合 Qi 標準的無線電源發(fā)射器

智能手機和其他移動設(shè)備制造商廣泛采用的 5 至 15 瓦無線電力傳輸?shù)臒o線充電聯(lián)盟 （WPC） Qi 標準允許消費者通過內(nèi)置兼容無線發(fā)射器將其放置在任何表面上，從而為其支持 Qi 的設(shè)備充電。Qi無線電源發(fā)射器嵌入在汽車內(nèi)部表面或第三方充電產(chǎn)品中，為智能手機充電提供了一種便捷的方法，消除了有線電源連接的混亂和潛在的干擾。微芯片技術(shù)的 15 瓦 Qi 無線電源參考設(shè)計[3]說明了如何使用 dsPIC33 簡化此類子系統(tǒng)的實現(xiàn)（圖 5）。

圖 5：dsPIC33 的集成外設(shè)可以獨立運行，以加快關(guān)鍵控制任務(wù)的速度，從而為在更復雜的應(yīng)用（如無線電源發(fā)射器）中執(zhí)行用戶界面、通信和安全性等其他任務(wù)留出處理余量。（圖片來源：微芯科技）

該參考設(shè)計基于微芯片技術(shù)單核dsPIC33CK256MP506 DSC，利用 DSC 的集成功能實現(xiàn)數(shù)字控制環(huán)路。雖然這種設(shè)計基于全橋拓撲結(jié)構(gòu)，而不是上述諧振轉(zhuǎn)換器中使用的半橋拓撲結(jié)構(gòu)，但該器件的多個PWM可以輕松滿足這一額外要求。

無線電力發(fā)射器通常提供多個射頻（RF）線圈用于傳輸功率，在這種設(shè)計中，橋式逆變器通過多路復用器（MUX）連接到三個線圈之一。與全橋逆變器和電壓調(diào)節(jié)前端一樣，該設(shè)計充分利用了dsPIC33的集成外設(shè)來管理線圈MUX開關(guān)。

除了控制Microchip的MIC4605和MP14700柵極驅(qū)動器外，dsPIC33外設(shè)還具有：

• 通過微芯片MCP23008 I/O 擴展器控制功率指示燈發(fā)光二極管 （LED）
• 通過微芯片MCP2221A USB 橋接器件提供 USB 連接
• 通過微芯片ATECC608身份驗證設(shè)備支持符合 WPC 標準的安全存儲，Microchip 作為許可的 WPC 制造商證書頒發(fā)機構(gòu) （CA） 提供該設(shè)備
• 通過微芯片ATA6563 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 （FD） 設(shè)備提供 ISO 2622 功能安全就緒的 CAN 連接

此外，該參考設(shè)計使用Microchip的MCP16331降壓轉(zhuǎn)換器和MCP1755線性穩(wěn)壓器來支持輔助電池電源。

使用這種相對較小的BOM，該參考設(shè)計提供了一個Qi就緒解決方案，該解決方案具有無線電源系統(tǒng)的所有關(guān)鍵功能，包括高效率，擴展的充電區(qū)域，有用的Z距離（發(fā)射器和接收器之間的距離），異物檢測以及對領(lǐng)先智能手機中使用的多種快速充電實現(xiàn)的支持。通過構(gòu)建這種基于軟件的設(shè)計，開發(fā)人員可以輕松添加功能，例如發(fā)射器和接收器之間的專有通信協(xié)議，以及藍牙等無線連接選項。

實施緊湊型數(shù)字照明解決方案

dsPIC33器件的集成功能在汽車和電動汽車應(yīng)用中尤為重要，這些應(yīng)用需要在不干擾車輛線路的情況下添加一些復雜的功能。高強度LED的可用性使汽車制造商能夠為外部前照燈和內(nèi)部照明帶來更大的設(shè)計感。

然而，這些照明子系統(tǒng)的開發(fā)人員通常必須將更多的功能壓縮到更小的封裝中，同時支持DMX等行業(yè)標準，DMX為控制照明設(shè)備鏈提供了通用的通信協(xié)議。就像上面提到的無線電源發(fā)射器設(shè)計一樣，一種緊湊型數(shù)字照明的設(shè)計[4]該解決方案利用了dsPIC33的集成外設(shè)（圖6）。

圖 6：Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC 使開發(fā)人員能夠以最小的占用空間和 BOM 交付復雜的設(shè)計，從而將功能不顯眼地嵌入到車輛中。（圖片來源：微芯科技）

與其他數(shù)字電源應(yīng)用一樣，該數(shù)字照明設(shè)計利用dsPIC33的集成PWM、模擬比較器和其他外設(shè)，提供完整、緊湊的數(shù)字照明解決方案。與上述設(shè)計應(yīng)用一樣，該數(shù)字照明解決方案依賴于dsPIC33 DSC的處理能力和外設(shè)獨立運行的能力，以監(jiān)視和控制所需的一組外部設(shè)備，包括功率器件、收發(fā)器、LED等。其他微芯片設(shè)計示例展示了dsPIC33 DSC在處理更復雜的數(shù)字控制算法和高級電機控制系統(tǒng)方面的高性能處理能力。

通過單個 dsPIC33 DSC 實現(xiàn)先進的電機控制系統(tǒng)

dsPIC33 DSC的性能允許開發(fā)人員使用單個DSC來處理核心數(shù)字控制環(huán)路的執(zhí)行以及各種輔助功能。事實上，微芯片雙電機設(shè)計[5]演示了僅使用一個單核 dsPIC33CK DSC 實現(xiàn)一對永磁同步電機 （PMSM） 的無傳感器磁場定向控制 （FOC）。此設(shè)計的關(guān)鍵在于將相移 PWM 信號傳送到每個電機控制通道、電機控制 1 （MC1） 和電機控制 2 （MC2） 的逆變器（圖 7）。

圖 7：由于其高性能處理和集成外設(shè)，一個單核 dsPIC33CK DSC 可以支持雙電機控制設(shè)計。（圖片來源：微芯科技）

在這種方法中，dsPIC33CK的PWM被配置為為每個電機控制通道生成所需的波形，并在最佳時刻觸發(fā)單獨的ADC。當每個ADC完成轉(zhuǎn)換時，它會發(fā)出中斷，導致dsPIC333CK對該組讀數(shù)執(zhí)行FOC算法。

單個 dsPI33CK DSC 還可以處理更強大的電機控制應(yīng)用。在高性能電動滑板車（E-scooter）的參考設(shè)計中，dsPIC33CK控制驅(qū)動無刷直流（BLDC）電機的三相逆變器的多個FET和Microchip MIC4104柵極驅(qū)動器（圖8）。

圖 8：使用單核 dsPIC33CK，開發(fā)人員只需幾個附加組件即可實現(xiàn)強大的電動滑板車電機控制子系統(tǒng)。（圖片來源：微芯科技）

電動滑板車參考設(shè)計[6]支持無傳感器和傳感器工作模式，因為它能夠監(jiān)控 BLDC 電機的后部電動勢 （BEMF） 以及霍爾效應(yīng)傳感器輸出。該設(shè)計使用 18 至 24 V 的輸入電壓源，可實現(xiàn) 350 瓦的最大輸出功率。

在此設(shè)計的進一步擴展中[7]，Microchip展示了在電動汽車和HEV中使用的再生制動的添加，以回收能量，因為電機在高于車輛電池供應(yīng)的電壓水平下產(chǎn)生BEMF。在這里，增強設(shè)計使用額外的dsPIC33CK引腳來監(jiān)控來自制動器的信號。當檢測到制動時，dsPIC33CK首先關(guān)閉逆變器高邊柵極，將回收的電能提升到高于直流母線電壓的水平，然后關(guān)閉低側(cè)柵極，讓電流流回源頭。

開發(fā)人員可以通過用雙核dsPIC33CH DSC取代單核dsPIC33CK來擴展此設(shè)計以支持更強大的功能。在這樣的設(shè)計中，一個內(nèi)核可以通過最少的代碼更改來管理 BLDC 電機控制和再生制動功能，而另一個內(nèi)核可以執(zhí)行額外的安全功能或高級應(yīng)用。使用雙核 dsPIC33CH，電機控制開發(fā)團隊和應(yīng)用程序開發(fā)團隊可以單獨工作，并無縫集成其控制以在 DSC 上執(zhí)行。

對于定制電機控制設(shè)計，Microchip的motorBench開發(fā)套件提供了一個圖形用戶界面（GUI）工具集，可幫助開發(fā)人員更準確地測量關(guān)鍵電機參數(shù)，調(diào)整控制環(huán)路，并在Microchip的電機控制應(yīng)用框架（MCAF）和電機控制庫上生成源代碼構(gòu)建。

結(jié)論

使用Microchip Technology的dsPIC33 DSC，開發(fā)人員需要相對較少的額外組件即可為傳統(tǒng)的汽車和電動汽車應(yīng)用實現(xiàn)廣泛的數(shù)字電源設(shè)計。單核和雙核 dsPIC33 DSC 以豐富的軟件工具和參考設(shè)計為后盾，為快速開發(fā)電源轉(zhuǎn)換、無線充電、照明和電機控制等優(yōu)化解決方案提供了一個可擴展的平臺。

編輯：fqj