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

傳統(tǒng)的汽車和電動(dòng)汽車系統(tǒng)都依賴于無數(shù)電子設(shè)備的有效運(yùn)行，以實(shí)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(yùn)行，同時(shí)提供可靠、高性能的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

因此，開發(fā)人員對一個(gè)一致、強(qiáng)大、支持良好且可擴(kuò)展的平臺的需求不斷增長，該平臺能夠幫助簡化不斷擴(kuò)大的汽車和電動(dòng)汽車用例的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車系統(tǒng)中必不可少的功能參考設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

多樣化的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車設(shè)計(jì)，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(jī)控制系統(tǒng)，從相對簡單的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用到電動(dòng)汽車 （EV） 和混合動(dòng)力汽車 （HEV） 中復(fù)雜的再生制動(dòng)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(fèi)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(jì)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(gè)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(yùn)行的軟件代碼是商用飛機(jī)的四倍。[1].

Microchip Technology 的dsPIC33 DSC 系列專為滿足這些不同的要求而設(shè)計(jì)，使用具有專用功能的系列成員。該系列的ZX成員dsPIC33C擴(kuò)展了dsPIC33E和dsPIC33F DSC的性能和功能，適合面向更復(fù)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(shí)時(shí)功能不斷變化的要求，同時(shí)保持ZX的占用空間和 BOM。利用Microchip廣泛的dsPIC33開發(fā)板、參考設(shè)計(jì)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(kuò)展其設(shè)計(jì)，以提供汽車和電動(dòng)汽車系統(tǒng)HX的廣泛應(yīng)用。

為汽車和電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)提供更有效的硬件基礎(chǔ)

Microchip的dsPIC33C系列專門設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、模擬比較器和運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)精密控制環(huán)路接口的獨(dú)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(shí)現(xiàn)ZX的尺寸和 BOM，以滿足時(shí)尚汽車系統(tǒng)中對較小器件的要求。這些器件進(jìn)一步簡化了汽車設(shè)計(jì)，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GJ汽車系統(tǒng)中使用的數(shù)字多路復(fù)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GJ汽車和電動(dòng)汽車應(yīng)用所需的可擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足引擎蓋下操作的嚴(yán)格要求，并支持 –40?C 至 150?C 的擴(kuò)展溫度范圍。 對于任務(wù)關(guān)鍵型汽車設(shè)計(jì)而言，Z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(shí)器、看門狗定時(shí)器、故障安全時(shí)鐘監(jiān)控、隨機(jī)存取存儲器（RAM）、內(nèi)置自檢（BIST）和糾錯(cuò)碼。

對于軟件開發(fā)，Microchip的MPLAB XC C編譯器已通過T?V SUD功能安全RZ，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）BG和安全手冊，作為安全RZ過程的一部分。

功能安全RZ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(dòng)汽車設(shè)計(jì)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ZY設(shè)計(jì)工具和庫，如下所述。

為了幫助進(jìn)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XZ的設(shè)計(jì)資源，包括白皮書、應(yīng)用說明和參考設(shè)計(jì)。在這些資源中，有多個(gè)dsPIC33C參考設(shè)計(jì)涉及幾個(gè)關(guān)鍵的汽車和電動(dòng)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(jī)控制。除了演示 dsPIC33C DSC 在每個(gè)領(lǐng)域的使用外，這些參考設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件還可以作為實(shí)施定制設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。

實(shí)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(dòng)汽車應(yīng)用的HX，在這些應(yīng)用中，它們Z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(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)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(yùn)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(fēng)扇和泵的電動(dòng)機(jī)。

在 200 W （W） DC/DC LLC（三個(gè)無功元件：兩個(gè)電感元件和一個(gè)電容式）諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)中[2]，單個(gè)dsPIC33器件利用其集成的PWM之一驅(qū)動(dòng)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

Microchip Technology 的 DC/DC LLC 諧振轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)依靠單個(gè) dsPIC33 DSC 對電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)HX的控制環(huán)路進(jìn)行數(shù)字管理。（圖片來源：微芯科技）

諧振變壓器將原邊高壓（黑線）與MOSFET驅(qū)動(dòng)器（D）的次級12 V電源（藍(lán)線）和dsPIC33 DSC及其他模擬（A）元件的3 V電源隔離。

dsPIC33 DSC 采用專用外設(shè)，有助于簡化設(shè)計(jì)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(jì)中，dsPIC33采用基本的中斷驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(gè)簡單的固件處理序列中

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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字控制環(huán)路。

對于希望構(gòu)建更ZY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(jì)套件支持從概念到生成目標(biāo)dsPIC DSC固件的設(shè)計(jì)?；?dsPIC DSC 硬件功能，開發(fā)人員使用套件的數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)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(bǔ)償器庫中優(yōu)化的匯編代碼函數(shù)的代碼

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)HX的基于軟件的優(yōu)化控制環(huán)路。

無論是構(gòu)建基于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備（如無線電源發(fā)射器）還是實(shí)施更復(fù)雜的定制設(shè)備，汽車和電動(dòng)汽車控制環(huán)路應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員都需要實(shí)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(gè)參考設(shè)計(jì)說明了單核dsPIC33CK DSC 在數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換的另一個(gè)重要應(yīng)用 — 無線電力傳輸中提供一組豐富的功能。

實(shí)施符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無線電源發(fā)射器

智能手機(jī)和其他移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)允許消費(fèi)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(jī)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(jì)[3]說明了如何使用 dsPIC33 簡化此類子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

dsPIC33 的集成外設(shè)可以獨(dú)立運(yùn)行，以加快關(guān)鍵控制任務(wù)的速度，從而為在更復(fù)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(jì)基于微芯片技術(shù)單核dsPIC33CK256MP506 DSC，利用 DSC 的集成功能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制環(huán)路。雖然這種設(shè)計(jì)基于全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不是上述諧振轉(zhuǎn)換器中使用的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但該器件的多個(gè)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(gè)射頻（RF）線圈用于傳輸功率，在這種設(shè)計(jì)中，橋式逆變器通過多路復(fù)用器（MUX）連接到三個(gè)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(jì)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(dòng)器外，dsPIC33外設(shè)還具有：

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(yàn)證設(shè)備支持符合 WPC 標(biāo)準(zhǔn)的安全存儲，Microchip 作為許可的 WPC 制造商證書頒發(fā)機(jī)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(jì)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(jì)提供了一個(gè)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(kuò)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LX智能手機(jī)中使用的多種快速充電實(shí)現(xiàn)的支持。通過構(gòu)建這種基于軟件的設(shè)計(jì)，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(lán)牙等無線連接選項(xiàng)。

實(shí)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(dòng)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(fù)雜的功能。高強(qiáng)度LED的可用性使汽車制造商能夠?yàn)橥獠壳罢諢艉蛢?nèi)部照明帶來更大的設(shè)計(jì)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(shí)支持DMX等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)一樣，一種緊湊型數(shù)字照明的設(shè)計(jì)[4]該解決方案利用了dsPIC33的集成外設(shè)（圖6）。

Diagram of Microchip Technology’s dsPIC33 DSCs (click to enlarge)

圖 6：Microchip Technology 的 dsPIC33 DSC 使開發(fā)人員能夠以ZX的占用空間和 BOM 交付復(fù)雜的設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)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(dú)立運(yùn)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(jì)示例展示了dsPIC33 DSC在處理更復(fù)雜的數(shù)字控制算法和GJ電機(jī)控制系統(tǒng)方面的高性能處理能力。

通過單個(gè) dsPIC33 DSC 實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的電機(jī)控制系統(tǒng)

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

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

在這種方法中，dsPIC33CK的PWM被配置為為每個(gè)電機(jī)控制通道生成所需的波形，并在Z佳時(shí)刻觸發(fā)單獨(dú)的ADC。當(dāng)每個(gè)ADC完成轉(zhuǎn)換時(shí)，它會(huì)發(fā)出中斷，導(dǎo)致dsPIC333CK對該組讀數(shù)執(zhí)行FOC算法。

單個(gè) dsPI33CK DSC 還可以處理更強(qiáng)大的電機(jī)控制應(yīng)用。在高性能電動(dòng)滑板車（E-scooter）的參考設(shè)計(jì)中，dsPIC33CK控制驅(qū)動(dòng)無刷直流（BLDC）電機(jī)的三相逆變器的多個(gè)FET和Microchip MIC4104柵極驅(qū)動(dòng)器（圖8）。

使用單核 dsPIC33CK，開發(fā)人員只需幾個(gè)附加組件即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的電動(dòng)滑板車電機(jī)控制子系統(tǒng)。

電動(dòng)滑板車參考設(shè)計(jì)[6]支持無傳感器和傳感器工作模式，因?yàn)樗軌虮O(jiān)控 BLDC 電機(jī)的后部電動(dòng)勢 （BEMF） 以及霍爾效應(yīng)傳感器輸出。該設(shè)計(jì)使用 18 至 24 V 的輸入電壓源，可實(shí)現(xiàn) 350 瓦的Z大輸出功率。

在此設(shè)計(jì)的進(jìn)一步擴(kuò)展中[7]，Microchip展示了在電動(dòng)汽車和HEV中使用的再生制動(dòng)的添加，以回收能量，因?yàn)殡姍C(jī)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(qiáng)設(shè)計(jì)使用額外的dsPIC33CK引腳來監(jiān)控來自制動(dòng)器的信號。當(dāng)檢測到制動(dòng)時(shí)，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(kuò)展此設(shè)計(jì)以支持更強(qiáng)大的功能。在這樣的設(shè)計(jì)中，一個(gè)內(nèi)核可以通過Z少的代碼更改來管理 BLDC 電機(jī)控制和再生制動(dòng)功能，而另一個(gè)內(nèi)核可以執(zhí)行額外的安全功能或GJ應(yīng)用。使用雙核 dsPIC33CH，電機(jī)控制開發(fā)團(tuán)隊(duì)和應(yīng)用程序開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以單獨(dú)工作，并無縫集成其控制以在 DSC 上執(zhí)行。

對于定制電機(jī)控制設(shè)計(jì)，Microchip的motorBench開發(fā)套件提供了一個(gè)圖形用戶界面（GUI）工具集，可幫助開發(fā)人員更準(zhǔn)確地測量關(guān)鍵電機(jī)參數(shù)，調(diào)整控制環(huán)路，并在Microchip的電機(jī)控制應(yīng)用框架（MCAF）和電機(jī)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(dòng)汽車應(yīng)用實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)字電源設(shè)計(jì)。單核和雙核 dsPIC33 DSC 以豐富的軟件工具和參考設(shè)計(jì)為后盾，為快速開發(fā)電源轉(zhuǎn)換、無線充電、照明和電機(jī)控制等優(yōu)化解決方案提供了一個(gè)可擴(kuò)展的平臺。